CC BY
377
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ВДОЛЬ ПРОТЯЖЕННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ
Вишневский Владимир Миронович,
профессор, д.т.н., зав. лаб. 69, ИПУ РАН, Москва, Россия, [email protected]
Кришнамурти Ачьюта,
профессор, д.т.н., профессор департамента математики Университета науки и технологий г. Кочин, Индия, [email protected]
Козырев Дмитрий Владимирович,
к.ф.-м.н., с.н.с. ИПУ РАН, Москва, Россия, [email protected]
Ларионов Андрей Алексеевич,
н.с. ИПУ РАН, Москва, Россия, [email protected]
Иванов Роман Евгеньевич,
инженер-программист ИПУ РАН, Москва, Россия, [email protected]
Ключевые слова: широкополосные беспроводные сети, протяженные транспортные магистрали, базовые станции, протоколы беспроводной связи, аналитическое и машинное моделирование, интерференция.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках проведения прикладных научных исследований № 14.613.21.0020 от 22.10.2014
Создание современной инфраструктуры передачи мультимедийной информации (голос, данные, видео) вдоль протяженных магистралей является одной из важнейших проблем при создании новых и функционировании существующих транспортных магистралей. Особенно актуально решение этой проблемы для стран с обширной территорией, к числу которых относится Российская Федерация. Создание такой инфраструктуры связи позволяет: обеспечивать оперативный контроль за техническими параметрами трассы путем высокоскоростной передачи информации с датчиков и сенсоров в центр управления; обеспечение контроля безопасности за участками трассы и стратегически важными объектами с использованием информации систем видеонаблюдения; обеспечение голосовой связи (IP-телефония) и передачи мультимедийной информации между стационарными и мобильными объектами на протяженных магистралях, а также связь с Центром управления и т.д. Приведен обзор работ, опубликованных в последние годы в ведущих отечественных и зарубежных изданиях, по проектированию широкополосных беспроводных сетей вдоль протяженных транспортных магистралей. Дано описание технологии построения беспроводных сетей этого класса на базе протоколов IEEE 802.1 1n,s, IEEE 802.16 и UMTS (LTE). Рассмотрены методы и алгоритмы оптимального расположения базовых станций вдоль транспортных магистралей, максимизирующие области покрытия трассы при ограничениях на суммарную стоимость и на время задержки передачи пакетов данных. Приведен обзор статей по моделям теории очередей, теории игр и имитационного моделирования, используемых для оценки и оптимизации производительности дорожных сетей. В заключительной части статьи рассмотрены методы борьбы с интерференцией и решения проблемы "скрытых станций", направленные на повышение качества функционирования беспроводных сетей вдоль протяженных транспортных магистралей. В целом, приведенный в статье обзор, является полезным инструментом для специалистов в области связи для ориентации в многочисленных (в основном, зарубежных) работах по оценке производительности и проектированию широкополосных беспроводных сетей, опубликованных в последние годы.
Для цитирования:
Вишневский В.М., Кришнамурти А., Козырев Д.В., Ларионов А.А., Иванов Р.Е. Методы исследования и проектирования
широкополосных беспроводных сетей вдоль протяженных транспортных магистралей // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт.
2015. - Том 9. - №5. - С. 9-15.
For citation:
Vishnevsky V.M., Krishnamoorthy A., Kozyrev D.V., Larionov A.A., Ivanov R.E. Methods for research and building up the broadband wireless
Communication networks along the long transport routes. T-Comm. 2015. Vol 9. No.5, рр. 9-15. (in Russian).
1. Введение
Создание современной инфраструктуры передачи мультимедийной информации (голос, данные, видео) вдоль протяженных магистралей является одной из важнейших проблем при создании новых и функционировании существующих транспортных магистралей. Особенно актуально решение этой проблемы для стран с обширной территорией, к числу которых относится Российская Федерация. Создание такой инфраструктуры связи позволяет: обеспечивать оперативный контроль за техническими параметрами трассы путем высокоскоростной передачи информации с датчиков и сенсоров в центр управления; обеспечение контроля безопасности за участками трассы и стратегически важными объектами с использованием информации систем видеонаблюдения; обеспечение голосовой связи (IP-теле-фония) и передачи мультимедийной информации между стационарными и мобильными объектами на протяженных магистралях, а также связь с Центром управления и т.д.
Учитывая высокие требования к безопасности, использование сетей общего пользования (типа Интернет) в системах связи этого класса обычно не допускается, тем более, что протяженные магистрали часто проходят по малонаселенным, труднодоступным территориям, где доступ к сети Интернет или сотовой связи отсутствует [1, 2]. Создание выделенных оптоволоконных сетей вдоль протяженных магистралей или радиорелейных линий требует огромных материальных затрат. То же касается и использования спутниковых каналов и сетей связи. В то же время стоимость широкополосной высокоскоростной беспроводной связи на аппаратно-программных средствах, реализующих международный стандарт IEEE 802.11-2012 [3], на порядок ниже. Указанный стандарт регламентирует создание высокоскоростных каналов связи и беспроводных сетей, функционирующих под управлением протоколов IEEE 802.11п и IEEE 802.11s, на базе которых могут эффективно реализо-вываться беспроводные сети вдоль протяженных транспортных магистралей. Указанные сети обеспечивают создание не только магистральной скоростной передачи мультимедийной информации путем расположения базовых станций на высотных зданиях и вышках вдоль транспортных магистралей, но и оперативную связь со стационарными и мобильными абонентами (автомобили, поезда, дорожные знаки, пункты весового контроля и пункты контроля ПДД, управления светофорами и т.д.).
Широкополосные беспроводные сети и каналы связи стали в настоящее время одним из основных направлений развития телекоммуникационной индустрии. Этот факт нашел отражение в многочисленных зарубежных монографиях, статьях в специализированных журналах: IEEE Wireless Communications Magazine, IEEE Communications; IEEE Wireless Network; IEEE Transactions on Vehicular Technology и трудах конференций (IEEE GLOBECOM, IEEE INFOCOM, ICUMT, NetWare, DCCN и многих других), где исследовались архитектура, методы оценки и оптимизации параметров протоколов, математические модели расчета производительности и надежности беспроводных сетей и каналов связи и т.д. Исследованию широкополосной связи посвящены и монографии отечественных авторов, на-
пример [1, 2] и отдельные статьи в журналах: Автоматика и телемеханика, Радиоэлектроника, Телекоммуникации и транспорт, Проблемы информатики, Электроника, Беспроводные технологии и т.д.
В настоящей работе дан обзор научно-технической литературы, опубликованной в последние годы по теории и практике создания беспроводных сетей вдоль протяженных транспортных магистралей. Указанные публикации могут быть классифицированы по следующим направлениям: методы и алгоритмы оптимального размещения базовых станций; методы обеспечения качества обслуживания, минимизации задержек и оптимизации пропускной способности; технологии связи, используемые в опорных беспроводных транспортных сетях, а также между дорожными базовыми станциями и транспортными средствами; методы борьбы с интерференцией и коллизиями, дизайн антенных систем; связь с интеллектуальными транспортными системами.
2. Оптимальное расположение базовых станций
вдоль протяженных транспортных магистралей
Развертывание и развитие сетей беспроводной связи вдоль протяженных магистралей требует решения ряда сложных организационно-технических задач в условиях жестких ограничений на использование частотных, экономических и аппаратных ресурсов. В связи с этим возрастает актуальность решения проблемы оптимального размещения базовых станций вдоль транспортных магистралей, которая является одной из важнейших при проектировании широкополосных беспроводных сетей этого класса. Ее решение направлено как на реализацию высокоскоростной магистральной сети, так и максимальное телекоммуникационное покрытие трассы с целью обеспечения подключения мобильных пользователей, а также минимизации интерференции и временных задержек при передаче мультимедийной информации по сети.
Исследованию этой проблемы посвящены многочисленные отечественные и зарубежные публикации [4-1 1]. В частности, в [4] решена задача размещения базовых станций беспроводной сети по критерию максимального покрытия протяженной трассы при ограничениях на суммарную стоимость сети. Исходными данными для решения задачи являются потенциальные места установки базовых станций, а также предварительно собранная статистика трафика от стационарных и мобильных абонентов. Близкая по постановке задача размещения базовых станций, максимизирующая зону покрытия, приведена в [5]. Для аналитического описания задачи используется модель максимального покрытия с ограничением на время задержки, для исследования которой предложен генетический алгоритм.
Стратегии размещения базовых станций, учитывающие параметры дорожного трафика и направленные на улучшение качества связи в автомобильных ad-hoc сетях, рассмотрены в работе [6]. Для нахождения оптимальных зон покрытия каждой станции авторами предложен алгоритм расширения и раскраски. Проблема отыскания оптимальной стратегии сформулирована как комбинаторная оптимизационная задача максимизации вероятности связности путем
т
поиска оптимального расположения базовых станций. В качестве примера проведен расчет на большом участке городской дорожной сети. Приводятся также результаты имитационного моделирования, показывающие, что схема расположения базовых станций, полученная при помощи описанной в статье стратегии, позволяет получить лучшую связность сети по сравнению с предложенными ранее методами.
Проблема размещения дорожных базовых станций в рамках сетей стандарта IEEE 802.llp/WAVE изучается в работе [7]. Представлена аналитическая модель, позволяющая анализировать задержку передачи данных в сетях на автомагистралях. Исследованы случаи связанных и несвязанных базовых станций. Показано, что эффективными оказываются лишь те стратегии размещения, в которых дорожные базовые станции связаны друг с другом в пределах прямой видимости. В работе [8] описывается анализатор, позволяющий оценивать длительность периодов наличия и отсутствия соединений движущихся транспортных средств с дорожной базовой станцией, основываясь на предварительно собранных телематических данных, а также на топологии опорной дорожной сети. Предложен корректный выбор схемы расположения базовых станций, позволяющий значительно увеличить зону покрытия сети.
Результаты расчетов и моделирования схемы расположения базовых станций вдоль дорог в городе Чеджу (Южная Корея) приводятся в статье [9]. Рассчитанная оптимальная топология опорной беспроводной сети обеспечила повышение надежности соединений и сокращение интервалов времени, в течение которых транспортные средства остаются без связи.
В статье [10] рассмотрена задача оптимального расположения станций, предназначенных для рассылки информационных сообщений движущимся по городским дорогам транспортным средствам. Предложена схема выбора расположения станций, не использующая сведений о собранных точных маршрутах движения транспортных средств. Проблема размещения базовых станций в сети транспортных средств, расположенных на автострадах или иных дорогах, содержащих большое количество полос со съездами или пересечениями на протяжении дороги, изучается в статье [11].
В данной модели каждое транспортное средство может иметь связь с базовой станцией двумя способами: доставка информации напрямую, если транспортное средство оказывается в области прямой видимости с базовой станцией; многошаговая передача, происходящая в случае, если транспортное средство покидает пределы прямой видимости. В предлагаемой стратегии рассчитываются оба способа доступа и формулируется проблема размещения с использованием модели целочисленного линейного программирования таким образом, чтобы общая пропускная способность сети была максимальной. При формулировке задачи учитывается влияние интерференции, распределение потоков транспортных средств и их скорость. С использованием системы моделирования NS-2 проведена оценка основных характеристик беспроводной сети при применении предложенной стратегии.
3. Технологии построения беспроводной сети
передачи мультимедийной информации вдоль
протяженных транспортных магистралей
При проектировании беспроводной связи стандарта IEEE 802.11-2012 могут быть реализованы следующие топологические схемы организации сети: централизованная схема, функционирующая под управлением протокола IEEE 802.llg/n, и децентрализованная схема ячеистой сети (mesh-сети) под управлением протокола IEEE 802.1 ls. В первом случае сеть состоит из совокупности двух типов каналов связи - участки магистральных каналов связи для доставки контента непосредственно в Центр управления и клиентские каналы для мобильных и стационарных абонентов сети. Во втором случае сеть имеет ячеистую топологию (Mesh Topology), в которой каждая точка доступа не только предоставляет услуги абонентского доступа, но и выполняет функции маршрутизатора/ретранслятора для других точек доступа той же сети.
Технологиям связи, используемым между базовыми станциями, расположенными вдоль транспортных магистралей, а также связи между базовыми станциями и мобильными транспортными средствами уделяется большое внимание в мировой литературе. В частности, использование технологии беспроводных mesh-сетей для построения опорных сетей вдоль автомобильных дорог рассматривается в [l2-l4], использование протоколов семейства IEEE802.lln [l5-l9]; построение систем связи, объединяющих различные технологии, такие, как WiMAX и WiFi в [20-23].
Сети транспортных средств, в которых в качестве магистральной системы связи используется mesh-сети стандарта IEEE 802.lls, рассматриваются в статье [l2]. Маршрутизаторы mesh-сети играют роль точек доступа для автомобилей и обеспечивают интернет-соединение посредством многошаговой коммуникации для клиентов. Отмечено, что механизм доступа MCCA, являющийся стандартным для IEEE 802.lls, для автомобильных сетей требует коррекции. Предлагается модифицированный механизм доступа, основанный на MCCA, но обеспечивающий справедливый доступ пропорционально нагрузке. Данный механизм использует распределенную схему, рассчитывающую интенсивность трафика в точке доступа, и, в зависимости от нагрузки трафика, настраивает MCCA в соответствии с требованиями точки доступа. Эффективность предложенной схемы подтверждается при помощи аналитического и имитационного моделирования. В работе [l3] рассматривается mesh-сеть, развернутая на транспортных магистралях в городском жилом районе. Аналитические результаты на базе модели открытой сети массового обслуживания показывают, как производительность mesh-сети масштабируется с ростом числа маршрутизаторов и клиентов. Mesh-сетям с древовидной топологией, обеспечивающей низкую задержку и высокую пропускную способность передачи данных вдоль дорог, посвящена работа [l4]. По мнению авторов, линейная топология, описанная в ранних работах, предполагаемая, в частности, для организации связи вдоль железных дорог, обладает рядом недостатков. Она приводит к образованию большого количества шагов при ретрансляции информации, высокой сквозной задержке
и обладает низкой надежностью. Для борьбы с этими недостатками предлагается использовать mesh-сеть, топология которой имеет древовидную структуру. Обсуждается архитектура, выбор антенн, развертывание и результаты тестирования производительности системы, включающей 14 узлов.
В работе [15] описана методология проектирования беспроводных сетей вдоль протяженных магистралей на базе IEEE 802.11п, позволяющая осуществлять реализацию сетей подвижной и фиксированной связи с учетом структуры местности, электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и распределения абонентской нагрузки при оптимизации частотных и аппаратных ресурсов. Приводятся результаты проектирования и трехлетней эксплуатации широкополосной беспроводной сети передачи мультимедийной информации вдоль окружной дороги г. Казань (М7 Волга). Связь между машинами и дорожными базовыми станциями, реализуемая через сети, доступ к каналу в которых основан на IEEE 802.11 DCF MAC, рассматривается в работах [16, 19]. Предлагается схема кооперативной передачи данных через удаленные базовые станции, позволяющая повысить эффективность соединений за счет использования специальных прокси-серверов и сокращения интерференции, возникающей из-за пересылок данных между машинами. В статье [17] дано описание использования связи по стандарту IEEE 802.llp/WAVE между транспортными средствами и дорожными базовыми станциями, количество которых предполагается небольшим из-за высокой стоимости. Для увеличения длительности соединений между машинами и базовыми станциями предлагается осуществлять рассылку информации о базовых станциях для двигающихся по магистралям автомобилей. Разработка методов повышения эффективности работы базовых станций вдоль автодорог путем рассылки сообщений инициализации от базовых станций, является целью статьи [18]. Изучаются многоканальные свойства новых стандартов IEEE 802.1 lp/IEEE 1609.4 для беспроводного доступа в сетях транспортных средств. Предложенные методы учитывают время, расстояние и типы каналов связи для увеличения эффективности и надежности связи между транспортными средствами и базовыми станциями в условиях городской местности, где препятствия к распространению сигнала из-за зданий или автомобильных пробок могут помешать удачной пересылке сообщений. Авторы приводят результаты имитационного моделирования, позволившего получить оценки эффективности и результативности предложенных решений для различных значений плотности размещения базовых станций и степени информационного покрытия дорожной сети.
Недостаткам фиксированных сетей для организации связи с подвижными высокоскоростными абонентами посвящена работа [20]. Авторы предлагают многоуровневую архитектуру сети, объединяющую беспроводные сети WiFi, WiMAX. Предлагается также использовать специальные прокси-сервера для повышения надежности передачи данных, и улучшения параметров качества обслуживания. Приводится описание распределенной сети прокси-серверов, алгоритмов их работы и разработанных протоколов маршрутизации. Приводятся также результаты имитационного моделирования, выполненного в системе OPNET.
В статье [21] рассмотрена система связи между машинами и дорожными базовыми станциями, основанная на стандартах IEEE 802.llb/g. Система состоит из двух уровней. На нижнем уровне осуществляется беспроводное соединение, на верхнем - проксирование и управление различными беспроводными соединениями. Предполагается, что система сможет осуществлять роуминг между различными сетями, включая GSM, UMTS, HSDPA и сетями WiFi.
Адаптивная беспроводная система связи, в которой используются соединения WiFi и WiMAX для организации связи между машинами и дорожными базовыми станциями, рассматривается в работе [22]. Транспортное средство может осуществлять роль шлюза, через который остальные клиенты передают данные базовой станции по протоколам WiMAX, или роль обычного клиента. Связь между клиентами и шлюзами осуществляется через соединения WiFi. Авторами была предложена распределенная система принятия решений, позволяющая станциям динамически выбирать роли. Для моделирования этой системы использовался аппарат теории игр. Авторы еще одной статьи [23] представляют детальное описание архитектуры и демонстрируют систему, реализующую объединение протоколов WiMAX и DSRC для обеспечения доступа к сети Internet водителям и пассажирам транспортных средств на автомагистралях. Определяются следующие объекты сети транспортных средств: транспортные средства-абоненты (SS), транспортные средства-ретрансляторы (RS), базовые станции WiMAX (BS) и шлюзы доступа к Internet (IAG). Результаты имитационного моделирования показывают, что предложенная система значительно увеличивает общую производительность системы по сравнению с традиционными системами на базе протоколов WiMAX.
4. Методы аналитического и имитационного
моделирования широкополосных беспроводных
сетей вдоль протяженных транспортных
магистралей
Для анализа производительности систем связи на протяженных магистралях и оценки качества принятых проектных решений используются различные методы аналитического (математического) и имитационного (машинного) моделирования. При оценке производительности задержек трансляции информационных пакетов и других параметров, характеризующих эффективность работы систем связи широко используются методы теории очередей и теоретико-вероятностные методы [13, 24-28]. При решении задач оптимизации, анализе механизмов доступа мобильных пользователей к сети и планирования инфраструктуры часто используются методы линейного программирования и теории игр [11, 22]. Наконец, для получения максимально приближенной к реальности оценки работы систем связи с учетом практических ограничений моделирования [20, 29, 30].
В работах [24, 25] для оценки производительности и проектирования широкополосных беспроводных сетей вдоль протяженных транспортных магистралей исследовалась модель многофазной стохастической системы с кросс-трафиком от мобильных абонентов. Предполагалось, что входящий поток пакетов и кросс-трафик описываются Пу-
ассоновским распределением. Более сложные модели многофазных систем массового обслуживания с использованием Markovian Arrival Process (МАР-процесс) разработаны в статьях [26, 27]. Использование модели МАР значительно усложняет математический аппарат анализа и синтеза беспроводных сетей, но позволяет адекватно учитывать коррелированный, нестационарный характер информационных процессов в современных телекоммуникационных сетях.
Другие подходы использования моделей теории массового обслуживания для анализа характеристик беспроводных дорожных сетей представлены в [27, 28]. В частности, в [28] оценивается вероятность блокировки сообщений от новых абонентов, движущихся в плотном автомобильном потоке и пересекающем границы соседних ячеек сотовой сети. Для расчета вероятности блокировки использована модель системы массового обслуживания M/D/C/C с интенсивностью пуассоновского входного потока, зависящей от времени. Предложен эффективный рекуррентный вычислительный алгоритм отыскания вероятностей блокировки.
По сравнению с аналитическими моделями имитационное моделирование беспроводных дорожных сетей позволяет учитывать как особенности физического уровня (кодирование, модуляцию и т.д.), так и сетевые характеристики (топология, тип сетевого трафика). По сравнению с дорогостоящими натурными экспериментами имитационное моделирование обеспечивает значительное сокращение временных издержек при оценке принятых проектных решений. В работе [29, 20] для построения имитационной модели беспроводной дорожной сети использованы популярные системы моделирования NS-3 и OPNET; пример использования системы моделирования QualNet приведен в работе [30].
5. Методы борьбы с интерференцией и дизайн
антенных систем при проектировании широкополосных беспроводных дорожных сетей
Одной из ключевых проблем, возникающих при построении беспроводных сетей на протяженных магистралях, является интерференция, и возникающие из-за нее коллизии, ведущие к потере пакетов и понижению пропускной способности сети. Проблеме борьбы с интерференцией и коллизиями, а также построению эффективных антенных систем, посвящены работы [l2,3l-35]. В статье [3l] представлены результаты исследования влияния расположения и типов антенн на производительность линий связи между движущимися абонентами в дорожных беспроводных сетях. В эксперименте задействованы антенны, закрепляемые на крышах автомобилей или внутри салона, работающие в диапазоне 5 ГГц по стандарту IEEE 802.ll. Авторам удалось установить зависимость между производительностью линий связи и расположением антенн, а также показать, что схема разнесенного приема с автовыбором уровня пакетов улучшает производительность не только в каналах с замиранием, но и в каналах прямой видимости, за счет влияния геометрии транспортного средства на распространение радиосигнала. Делается вывод о том, что за счет правильного расположения и разнесения антенных систем можно бороться с интерференцией и проблемой скрытых станций. Исследование применения адаптивной антенны с электронно-уп-
равляемым излучателем (ESPAR) для обеспечения сервисов интеллектуальной транспортной системы приводится в работе [32] для случая, когда точки доступа расположены вдоль автомагистралей. Рассматривается связь между автомобилями и дорожными базовыми станциями. Моделирование показало, что система ESPAR может значительно улучшить пропускную способность линии связи. В работе [33] решена задача организации связи между машинами через базовые станции, играющие роль ретрансляторов. Эффективность таких линий связи снижается из-за проблемы скрытых станций. Для борьбы с этой проблемой предлагается использовать на базовой станции секторные антенны, снизив тем самым количество возникающих коллизий. Авторы приводят результаты моделирования, показывающее значительное увеличение доли доставленных сообщений.
Авторы статьи [34] предлагают инновационную надежную схему передачи пакетов с малым количеством коллизий для ad-hoc сетей транспортных средств, основанную на вероятностной ретрансляции. Предложенная схема, получившая название CAREFOR, предполагает распределенную связь объектов сети - каждое транспортное средство, получающее пакет данных, ретранслирует его с заданной вероятностью. Эта вероятность определяется исходя из различных физических факторов, определяемых автомобильной средой, включая плотность автомобильного потока в зоне действия сигнала, расстояние между передающим и принимающим транспортными средствами и, наконец, дальность передачи сигнала на следующем шаге. Все эти факторы определяют вероятность, которая позволяет каждому транспортному средству оценить, есть ли другое транспортное средство, которое должно получить это сообщение, и может ли быть выполнена ретрансляция сообщения. Схема CAREFOR отличается от других существующих методик, поскольку она учитывает эффект от передачи на следующем шаге при принятии решения о ретрансляции. Результаты имитационного моделирования показывают эффективность предложенного подхода по сравнению с существующими. Схема также учитывает двух- и трехшаговые ретрансляции сообщений. Авторы другой статьи [35] представляют новый кроссуровне-вый метод устранения коллизий кадров физического и MAC-уровней, позволяющий корректировать сообщения в беспроводных сетях малого радиуса действия. Представлены аналитические выражения, описывающие механизм устранения коллизий и описаны компоненты, необходимые для его применения. Результаты имитационного моделирования показывают, что при использовании такого механизма доставки, особенно в условиях высокой пользовательской нагрузки, надежность получения сообщений возрастает.
Заключение
В статье приведен обзор работ, опубликованных в последние годы в ведущих отечественных и зарубежных изданиях, по проектированию широкополосных беспроводных сетей вдоль протяженных транспортных магистралей. Дано описание технологии построения беспроводных сетей этого класса на базе протоколов IEEE 802.1 1 n,s, IEEE 802.16 и UMTS (LTE). Рассмотрены методы и алгоритмы оптимального расположения базовых станций вдоль транспортных ма-
гистралей, максимизирующие области покрытия трассы при ограничениях на суммарную стоимость и на время задержки передачи пакетов данных. Приведен обзор статей по моделям теории очередей, теории игр и имитационного моделирования, используемых для оценки и оптимизации производительности дорожных сетей. В заключительной части статьи рассмотрены методы борьбы с интерференцией и решения проблемы "скрытых станций", направленные на повышение качества функционирования беспроводных сетей вдоль протяженных транспортных магистралей.
В целом, приведенный в статье обзор, является полезным инструментом для специалистов в области связи для ориентации в многочисленных (в основном, зарубежных) работах по оценке производительности и проектированию широкополосных беспроводных сетей, опубликованных в последние годы.
Литература
1. Vishnevsky V.M., Portnoi S.L., Shakhnovich I.V. WiMAX Encyclopaedia. Way to 4G. Tekhnosfera, Moscow, 2010. 470 p. (in Russian).
2. Vishnevsky V.M., Semenova O.V. Polling Systems: Theory and Applications for Broadband Wireless Networks. London: Academic Publishing, 2012. 3l7p.
3. 802.11-2012 IEEE Standard for Information technology. Telecommunications and information exchange between Local and metropolitan area networks. Specific requirements Part 1 1: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. - IEEE Std., March 2012.
4. Brahim M.B., Drira W., Filali F. Roadside units placement within city-scaled area in vehicular ad-hoc networks / 3rd International Conference on Connected Vehicles & Expo (ICCVE 2014), 3-7 Nov 2014, Vienna, Austria, 2014.
5. Cavalcante E.S., Aquino A.L.L., Pappa G.L., Loureiro A.A.F. Roadside unit deployment for information dissemination in a VANET: an evolutionary approach / 14th Annual Conference Companion on Genetic and Evolutionary Computation (GECCO '12), 2012, NY, USA, 2012. Pp. 27-34.
6. Liu H., Ding S., Yang L., Yang T. A Connectivity-based Strategy for Roadside Units Placement in Vehicular Ad Hoc Networks / IEEE International Journal of Hybrid Information Technology, vol. 7, issue 1, 2014. Pp. 91.
7. Reis A.B., Sargento S., Neves F., Tonguz O.K. Deploying Roadside Units in Sparse Vehicular Networks: What Really Works and What Does Not / IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 63, issue 6, 2014. Pp. 2794-2806.
8. Lee J. Design of a Network Coverage Analyzer for Roadside-to-Vehicle Telematics Networks / Ninth ACIS International Conference on Software Engineering, Artificial Intelligence, Networking, and Parallel/Distributed Computing, 2008 (SNPD '08), 6-8 Aug 2008, Phuket, 2008. Pp. 201-205.
9. Lee J., Kim C.M. A Roadside Unit Placement Scheme for Vehicular Telematics Networks / Springer Lecture Notes in Computer Science, vol. 6059, 2010. Pp. 196-202.
10. Xie B., Xia G., Chen Y, Xu M. Roadside Infrastructure Placement for Information Dissemination in Urban ITS Based on a Probabilistic Model / Springer Lecture Notes in Computer Science, vol. 8147, 2013. Pp. 322-331.
11. Wu T.-J., Liao W, Chang C.-J. A Cost-Effective Strategy for Road-Side Unit Placement in Vehicular Networks / IEEE Transactions on Communications, vol. 60, issue 8, 2012. Pp. 2295-2303.
12. Bisnik N., Abouzeid A. Delay and Throughput in Random Access Wireless Mesh Networks / IEEE International Conference on Communications (ICC '06), Istanbul, 2006. Pp. 403-408.
13. Chakraborty S., Nandi S. IEEE 802.11s Mesh Backbone for Vehicular Communication: Fairness and Throughput / IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 62, issue 5, 2013. Pp. 2193-2203.
14. Karunagaran S., Sundararajan S., Poroor J., Dhar A. Mesh-Tree Topology For Vehicular Networks / International Conference on Testbeds and Research Infrastructures for the Development of Networks & Communities and Workshops, 6-8 Apr 2009, Washington, DC, 2009.
15. Vishnevsky V.M., Minnikhanov R.N., Dudin A.N., Klimenok V.I., Larionov A.A., Semenova O.V. New generation of hardware-software for road safety systems and its application in intellectual transport systems / Informacionnye tehnologii i vychislitel'nye sistemy, № 4, 2013. Pp.17-26. (in Russian).
16. Wu Q., Zheng J. Performance modeling and analysis of IEEE 802.11 DCF based fair channel access for vehicle-to-roadside communication in a non-saturated state / Springer Wireless Networks, Volume 21, Issue 1, 2014. Pp. 1-11.
17. Campolo C., Molinaro A. On vehicle-to-roadside communications in 802.llp/WAVE VANETs / IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC'2011), 28-31 Mar 2011, Cancun, Quintana Roo, 2011. Pp. 1010-1015.
18. Campolo C., Cozzetti H.A., Molinaro A., Scopigno R. Augmenting Vehicle-to-Roadside connectivity in multi-channel vehicular Ad Hoc Networks / Journal of Network and Computer Applications, vol. 36, issue 5, 2013. Pp. 1275-1286.
19. Jhang M.-F, Liao W. Cooperative and Opportunistic Channel Access for Vehicle to Roadside (V2R) Communications / Springer Mobile Networks and Applications, vol. 15, issue 1, 2010. Pp. 13-19.
20. Krohn M, Unger H., Tavangarian D. A Distributed Proxy System for High Speed Clients / Springer Advances in Computer Science and Engineering: 13th International CSI Computer Conference, CSICC 2008 Kish Island, Iran, March 9-11, Revised Selected Papers, vol. 6, 2009. Pp. 404-411.
21. Milata M, Krumnikl M, Moravec P. On the Usability of Vehicle-to-Roadside Communications Using IEEE 802.1 Ib/g Unplanned Wireless Networks / Springer Digital Information Processing and Communications: International Conference, ICDIPC 2011, Ostrava, Czech Republic, July 7-9,
2011, Proceedings, Part II, vol. 189, 2011. Pp. 167-177.
22. Niyato D., Hossain E., Issariyakul T. An Adaptive WiFi/WiMAX Networking Platform for Cognitive Vehicular Networks / Springer Cognitive Radio Mobile Ad Hoc Networks, Part V, 2011. Pp. 311-334.
23. Doyle N.C., Jaber N.R., Tepe K.E. Complete architecture and demonstration design for a new combined WiMAX/DSRC system with improved vehicular networking efficiency / Ad Hoc Networks, vol. II, issue 7, 2013. Pp. 2026-2048.
24. Vishnevsky V.M., Larionov A.A., Semenova O.V. Performance evaluation of the high-speed wireless tandem network using centimeter and millimeter-wave channels / Problemy upravlenija, № 4, 2013. Pp. 50-56. (in Russian)
25. Vishnevsky V.M., Larionov A.A., Tselikin Yu.V. Road safety systems based on wireless broadband communication and RFID technologies design methods research and analysis / T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, № 7,
2012. Pp. 48-54. (in Russian).
26. Vishnevsky V.M., Dudin A.N., Klimenok V.I. Tandem gueueing system with correlated input and cross-traffic / Springer Communications in Computer and Information Science. Vol. 370, 2013. Pp.416-425.
27. Boucherie R.J., WalJ. Transient handover blocking probabilities in road covering cellular mobile networks / Computer Networks, vol.42, issue 4, 2003. Pp. 537-550.
28. Khabbaz M.J., Fawaz W.F., Assi C.M. Modeling and Delay Analysis of Intermittently Connected Roadside Communication Networks / IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 61, issue 6, 2012. Pp. 2698-2706.
29. Mittag J., Papanastasiou S., Hartenstein H., Strom E.G. Enabling Accurate Cross-Layer PHY/MAC/NET Simulation Studies of Vehicular Communication Networks / Proceedings of the IEEE. Special Issue on Vehicular Communications, vol. 99, issue 7, 2011. Pp. 1311-1326 .
30. Yamao Y, Minato K. Vehicle-roadside-vehicle relay communication network employing multiple frequencies and routing function / 6th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS'2009), 7-10 Sep 2009, Tuscany, 2009. Pp. 413-317.
31. Kaul S., Ramachandran K, Shankar P., Oh S., Gruteser M, Seskar I., Nadeem T. Effect of Antenna Placement and Diversity on Vehicular Network Communications / 4th Annual IEEE Communications Society Conference on Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks (SECON '07), 18-21 Jun 2007, San Diego, CA, 2007. Pp. 112-121.
32. Anbaran A.G., Mohammadi A., Abdipour A. Capacity enhancement in vehicle to roadside networks using ESPAR technique / IEEE International Wireless Symposium (IWS'2013), 14-18 Apr 2013, Beijing, 2013. Pp.I-4.
33. Cheng H., Yamao Y. Reliable Inter-Vehicle Broadcast Communication with Sectorized Roadside Relay Station / IEEE 77th Vehicular Technology Conference (VTC Spring '2013), 2-5 Jun 2013, Dresden, 2013. Pp.I-5.
34. Mostafa A., Vegni A.M., Agrawal D.P. A probabilistic routing by using multi-hop retransmission forecast with packet collision-aware constraints in vehicular networks / Ad Hoc Networks, vol. I4, 20I4. Pp. II8-I29.
35. Cassidy W.G., Jaber N., Tepe K.E. Collision correction using a cross-layer design architecture for dedicated short range communications vehicle safety messaging / Ad Hoc Networks, vol. I5, 20I4. Pp. I4-24.
T-Comm Том 9. #5-2015
COMMUNICATIONS
METHODS FOR RESEARCH AND BUILDING UP THE BROADBAND WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS ALONG THE LONG TRANSPORT ROUTES
Vishnevsky V.M., Moscow, Russia, [email protected]; Krishnamoorthy A., Cochin, India, [email protected];
Kozyrev D.V., Moscow, Russia, [email protected]; Larionov A.A., Moscow, Russia, [email protected];
Ivanov R.E., Moscow, Russia, [email protected]
Abstract. Creation of a modern infrastructure for multimedia data (voice, data, video) transmission along the long transport routes is one of the most important problems while designing and building up the new highways and exploiting the existing ones. The solution of this problem is especially relevant for countries with a vast territory, like the Russian Federation. Creation of such communication infrastructure allows to: provide the operating control over the technical parameters of a route by the means of high-speed data transfer from sensors and data units to the Control Center; provide the security control over the route sections and strategically important objects using data from the video surveillance systems; provide the voice communication (IP-telephony) and transmission of multimedia information between the stationary and mobile objects on long highways as well as communication with the Control Center, etc. The paper presents an analytical review of studies in the field of research and design of broadband wireless networks along the long highways, published in recent years by leading national and international publishers. We describe the technology of creation of wireless networks of this class on the basis of IEEE 802.lln, s, IEEE 802.16 and UMTS (LTE) protocols. We investigate the methods and algorithms for the optimal location of the base stations along highways, which maximize the coverage area of the route under constraints on the total cost and the delay time of data package transmission. An overview of the articles on the models of queuing theory, game theory and simulation is given, which are used for performance evaluation and optimization of the road communication networks. The final part of the article deals with the methods of interference and collision mitigation and solutions of the "hidden station" problem. These methods are aimed at improving the quality of performance of wireless networks along the extended transport routes. In general, the carried-out review is a useful tool for experts in the field of communications for orientation in numerous (mostly foreign) studies on performance evaluation and design of broadband wireless networks, which have been published in recent years. The review has shown that amount of works in this actual area has been continuously increasing which demonstrates not only the relevance but also the high practical need for such studies.
Keywords: broadband wireless communication networks, long transport systems, base stations, wireless communication protocols, analytical modeling and simulation, interference.
References
1. Vishnevsky V.M., Portnoi S.L., Shakhnovich I.V. WiMAX Encyclopaedia. Way to 4G. Tekhnosfera, Moscow, 2010. 470 p. (in Russian).
2. Vishnevsky VM., Semenova O.V. Polling Systems: Theory and Applications for Broadband Wireless Networks. London: Academic Publishing, 2012. 317 p.
3. 802.11-2012 IEEE Standard for Information technology. Telecommunications and information exchange between Local and metropolitan area networks. Specific requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. IEEE Std., March 2012.
4. Brahim M.B., Drira W., Filali F. Roadside units placement within city-scaled area in vehicular ad-hoc networks / 3rd International Conference on Connected Vehicles & Expo (ICCVE 2014), 3-7 Nov 2014, Vienna, Austria, 2014.
5. Cavalcante E.S., Aquino A.LL., Pappa G.L, Loureiro A.A.F. Roadside unit deployment for information dissemination in a VANET: an evolutionary approach / 14th Annual Conference Companion on Genetic and Evolutionary Computation (GECCO '12), 2012, NY, USA, 2012, pp. 27-34.
6. Liu H., Ding S., Yang L., Yang T. A Connectivity-based Strategy for Roadside Units Placement in Vehicular Ad Hoc Networks / IEEE International Journal of Hybrid Information Technology. Vol. 7, issue 1, 2014, pp. 91.
7. Reis A.B., Sargento S., Neves F., Tonguz O.K. Deploying Roadside Units in Sparse Vehicular Networks: What Really Works and What Does Not / IEEE Transactions on Vehicular Technology. Vol. 63, issue 6, 2014, pp. 2794-2806.
8. Lee J. Design of a Network Coverage Analyzer for Roadside-to-Vehicle Telematics Networks / Ninth ACIS International Conference on Software Engineering, Artificial Intelligence, Networking, and Parallel/Distributed Computing, 2008 (SNPD '08), 6-8 Aug 2008, Phuket, 2008, pp. 201-205.
9. Lee J., Kim C.M. A Roadside Unit Placement Scheme for Vehicular Telematics Networks / Springer Lecture Notes in Computer Science. Vol. 6059, 2010, pp. 196-202.
10. Xie B., Xia G., Chen Y., Xu M. Roadside Infrastructure Placement for Information Dissemination in Urban ITS Based on a Probabilistic Model. Springer Lecture Notes in Computer Science. Vol. 8147, 2013, pp. 322-331.
11. Wu T.-J., Liao W., Chang C.-J. A Cost-Effective Strategy for Road-Side Unit Placement in Vehicular Networks. IEEE Transactions on Communications. Vol. 60, issue 8, 2012, pp. 2295-2303.
12. Bisnik N., Abouzeid A. Delay and Throughput in Random Access Wireless Mesh Networks. IEEE International Conference on Communications (ICC '06), Istanbul, 2006, pp. 403-408.
13. Chakraborty S., Nandi S. IEEE 802.11s Mesh Backbone for Vehicular Communication: Fairness and Throughput. IEEE Transactions on Vehicular Technology. Vol. 62, issue 5, 2013, pp. 2193-2203.
14. Karunagaran S., Sundararajan S., Poroor J., Dhar A. Mesh-Tree Topology For Vehicular Networks. International Conference on Testbeds and Research Infrastructures for the Development of Networks & Communities and Workshops, 6-8 Apr 2009, Washington, DC, 2009.
15. Vishnevsky V.M., Minnikhanov R.N., Dudin A.N., Klimenok V.I., Larionov A.A., Semenova O.V. New generation of hardware-software for road safety systems and its application in intellectual transport systems. Informacionnye tehnologii i vychislitel'nye sistemy. No. 4, 2013, pp.17-26. (in Russian).
16. Wu Q., Zheng J. Performance modeling and analysis of IEEE 802.11 DCF based fair channel access for vehicle-to-roadside communication in a non-saturated state. Springer Wireless Networks. Vol. 21, Issue 1, 2014, pp. 1-11.
17. Campolo C., Molinaro A. On vehicle-to-roadside communications in 802.llp/WAVE VANETs. IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC'201 1), 28-31 Mar 201 1, Cancun, Quintana Roo, 2011, pp. 1010-1015.
18. Campolo C., Cozzetti H.A., Molinaro A., Scopigno R. Augmenting Vehicle-to-Roadside connectivity in multi-channel vehicular Ad Hoc Networks. Journal of Network and Computer Applications. Vol. 36, issue 5, 2013, pp. 1275-1286.
19. Jhang M.-F., Liao W. Cooperative and Opportunistic Channel Access for Vehicle to Roadside (V2R) Communications. Springer Mobile Networks and Applications. Vol. 15, issue 1, 2010, pp. 13-19.
20. Krohn M., Unger H., Tavangarian D. A Distributed Proxy System for High Speed Clients / Springer Advances in Computer Science and Engineering: 13th International CSI Computer Conference, CSICC 2008 Kish Island, Iran, March 9-11, Revised Selected Papers. Vol. 6, 2009, pp. 404-411.
21. Milata M., Krumnikl M., Moravec P. On the Usability of Vehicle-to-Roadside Communications Using IEEE 802.1 Ib/g Unplanned Wireless Networks. Springer Digital Information Processing and Communications: International Conference, ICDIPC 2011, Ostrava, Czech Republic, July 7-9, 2011, Proceedings, Part II. Vol. 189, 2011, pp. 167-177.
22. Niyato D., Hossain E., Issariyakul T. An Adaptive WiFi/WiMAX Networking Platform for Cognitive Vehicular Networks. Springer Cognitive Radio Mobile Ad Hoc Networks, Part V, 2011, pp. 311-334.
23. Doyle N.C., Jaber N.R., Tepe K.E. Complete architecture and demonstration design for a new combined WiMAX/DSRC system with improved vehicular networking efficiency. Ad Hoc Networks. Vol. II, issue 7, 2013, pp. 2026-2048.
24. Vishnevsky V.M., Larionov A.A., Semenova O.V. Performance evaluation of the high-speed wireless tandem network using centimeter and millimeter-wave channels. Problemy upravlenija. No. 4, 2013, pp. 50-56. (in Russian).
25. Vishnevsky V.M., Larionov A.A., Tselikin Yu.V. Road safety systems based on wireless broadband communication and RFID technologies design methods research and analysis. Telekommunikacii i transport (T-Comm). No. 7, 2012, pp. 48-54. (in Russian).
26. Vishnevsky V.M., Dudin A.N., Klimenok V.I. Tandem gueueing system with correlated input and cross-traffic / Springer Communications in Computer and Information Science. Vol. 370, 2013, pp.416-425.
27. Boucherie R.J., Wal J. Transient handover blocking probabilities in road covering cellular mobile networks. Computer Networks. Vol. 42, issue 4, 2003, pp. 537-550.
28. Khabbaz M.J., Fawaz W.F., Assi C.M. Modeling and Delay Analysis of Intermittently Connected Roadside Communication Networks. IEEE Transactions on Vehicular Technology. Vol. 61, issue 6,
2012, pp. 2698-2706.
29. Mittag J., Papanastasiou S., Hartenstein H., Strom E.G. Enabling Accurate Cross-Layer PHY/MAC/NET Simulation Studies of Vehicular Communication Networks. Proceedings of the IEEE. Special Issue on Vehicular Communications. Vol. 99, issue 7, 2011, pp. 1311-1326 .
30. Yamao Y., Minato K. Vehicle-roadside-vehicle relay communication network employing multiple frequencies and routing function / 6th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS'2009), 7-10 Sep 2009, Tuscany, 2009, pp. 413-317.
31. Kaul S., Ramachandran K., Shankar P., Oh S., Gruteser M., Seskar I., Nadeem T. Effect of Antenna Placement and Diversity on Vehicular Network Communications / 4th Annual IEEE Communications Society Conference on Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks (SECON '07), 18-21 Jun 2007, San Diego, CA, 2007, pp. 112-121.
32. Anbaran A.G., Mohammadi A., Abdipour A. Capacity enhancement in vehicle to roadside networks using ESPAR technique / IEEE International Wireless Symposium (IWS'2013), 14-18 Apr 2013, Beijing,
2013, pp.I-4.
33. Cheng H., Yamao Y. Reliable Inter-Vehicle Broadcast Communication with Sectorized Roadside Relay Station. IEEE 77th Vehicular Technology Conference (VTC Spring '2013), 2-5 Jun 2013, Dresden, 2013, pp.I-5.
34. Mostafa A., Vegni A.M., Agrawal D.P. A probabilistic routing by using multi-hop retransmission forecast with packet collision-aware constraints in vehicular networks. Ad Hoc Networks. Vol. I4, 20I4, pp. II8-I29.
35. Cassidy W.G., Jaber N., Tepe K.E. Collision correction using a cross-layer design architecture for dedicated short range communications vehicle safety messaging. Ad Hoc Networks. Vol. I5, 0I4, pp. I4-24.
Information about authors: Vladimir Vishnevsky, professor, Dr. Sc., head of laboratory, VA. Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; Achyutha Krishnamoorthy, professor, Dr.Sc, professor of Applied Mathematics, Department of Maths., Cochin University of Science & Technology, Cochin, India; Dmitry Kozyrev, Ph.D., senior staff scientist, V.A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of RAS, Moscow, Russia; Andrei Larionov, staff scientist, V.A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of RAS, Moscow, Russia; Roman Ivanov, programmer, V.A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of RAS, Moscow, Russia
