CC BY
44
16 декабря 2011 г. 10:23
Т-Comm #9-2010
(Технология информационного общества)
Проблемы повышения эффективности мобильных самоорганизующихся сетей
Евдокимов ИЛ., аспирант кафедры РТС МТУСИ Сперанский B.C., « т.н., проф. кафедра РТС МТУСИ
1. Самоорганизующиеся сета —для чего они?
Самоорганизующиеся сети связи — сети с изменяемой децентрализованной инфраструктурой. В общем случае данные сети имеют такие преимущества, как широкое покрытие и теоретически широкая абонентская база без большого количества дорогостоящих базовых станций и увеличения мощности излучаемого сигнала.
Суть самоорганизующихся сетей предоставление абоненту возможности доступа к различным сетевым услугам посредством передачи и приема «своего» трафика через соседних абонентов.
Простейшая самоорганизующаяся сеть представляет из себя N абонентских устройств . размещенных на площади S и одну или несколько точек доступа к внешним сетям. Если абонент, находясь «на периферии», посылает пакет абоненту, находящемуся в центре сети или на точку доступа, происходит так называемый многоскачковый процесс передачи пакета через узлы, находящиеся на пути заранее проложенного маршрута. Таким образом можно сказать, что каждый новый абонент за счет своих ресурсов увеличивает радиус действия и/или пропускную способность сети. Следовательно. мощность каждого отдельного устройства может быть минимальной. В свою очередь это предполагает как меньшие стоимости абонентских устройств, так и лучшие показатели безопасности и электромагнитной совместимости.
2. Самоорганизующиеся сети на основе WiFi
Сети стандарта 802.11 изначально были задуманы как способ замены проводных сетей. Однако, относительно высокие скорости передачи (до 108 Мбит/с) делают перспективным возможное применение в тех самоорганизующихся сетях, где необходимо передавать большие объемы информации в реальном времени (например. видеосигналы).
На основе уже существующих стандартов 802.11 можно строить мобильные самоорганизующиеся сети, отличительной чертой которых можно назвать большую зону покрытия (несколько квадратных километров).
Проблемы, требующие особого внимания при дальнейшем развитии самоорганизующихся сетей на базе WiFi можно разделить на следующие классы:
4. проблемы пропускной способности. Например, в работе [8] исследован эффект снижения пропускной способности сетей в зависимости от среднего количества узлов, которые проходит трафик от источника к адресату;
5. проблемы масштабируемости сетей.
Проблема масштабируемости самоорганизующихся сетей на базе стандарта 802.11 WiFi рассмотрена в работе [51- Здесь приводятся доказательства того, что при развертывании больших сетей существующий в стандарте алгоритм синхронизации не может работать удовлетворительно. Следовательно, возникают существенные трудности на пути создания сетей с большим количеством абонентских станций. Авторами предлагается новый немного усовершенствованный алгоритм синхронизации, успешно работающий а больших самоорганизующихся сетях.
Там же исследуется проблема масштабируемости самоорганизующихся сетей. Приводится анализ трафика «в центре» сети, на основе которого вычисляются верхние границы пропускной способности сети, по достижении которых сеть можно считать масштабируемой в окружности радиуса /-.
3. Что понимается под словом «эффективность»?
Иод эффективностью будем подразумевать совокупность характеристик помехоустойчивости, спектральной эффективности сети и пропускной способности сети. Под спектральной эффективностью сети может скрываться несколько величин, отражающих распределение традиционной спектральной эффективности (бит/с/Гц) в двумерном пространстве[ 1]. К числу таких величин слсдуст относить:
4. [бит-скачок/с/Гц/узсл] число бит,
передаваемых от каждого узла к следующему (соответственно маршруту) на один герц; закон масштабирования в данном случае выглядит следующим образом:
С=С .
с
где масштабированная пропускная способность,
выраженная в заданных величинах, ^ пропускная способность канала. [бит/с/Ги];
5. [бит/с/Гц/узел] — число бит. передаваемых от каждого источника к соответствующему приемнику за секунду на один герц; закон масштабирования:
где ^ — среднее количество скачков между
передающим и приемным узлами;
5. [бит-метр/с/Гц/узел] число бит. помноженное на число метров, проходимых сигналом от источника к приемнику за секунду на герц; в этом случае закон масштабирования выглядит так:
С=Ср]
0.3
Т-Comm #9-2010
(Технологии информационного общества)
где Р- - число умов на I •'<" .
Как мы можем видеть, данные показатели достаточно полно отражают зависимость совокупной пропускной способности как от количества узлов на пути от источника к приемнику, так и от расстояния между всеми проходимыми узлами. Поэтому, данные характеристики необходимо учитывать и применять в дальнейших исследованиях самоорганизующихся сетей.
4. Методы повышении пропускной способности системы с применением нескольких антенных трактов на приеме/передаче
Существуют несколько способов организации параллельных пространственных каналов передачи данных:
15. разнесение потоков по задержке;
16. разнесение посредством пространственновременного кодирования (логическое развитие первого способа);
17. ортогональное блочное кодирование (в частности. метод ортогонального блочного кодирования Аламоути);
IX. ортогональное кодирование методом прямого расширения спектра DSSS;
19. введением диаграммообразующей схемы (ДОС). Недостаток этого метода также заключается в расширении спектра сигнала;
ортогональное расположение частот сигналов (несущих) по передающим трактам.
Наиболее простым как в вычислительном плане, так и в плане понимания является метод Аламоути [7]. Однако, данный метод сам по себе не даст никакого увеличения пропускной способности соединения, т. к. фактически организует параллельную передачу одних и тех же данных по нескольким физическим каналам. Таким образом, все прочие методы кодирования являют собой определенные компромиссы между возможностями борьбы с негативными эффектами замираний, увеличением скоростей передачи данных и сложностью сопутствующих вычислительных процессов.
5.0бзор исследований но применению технологии MIMO в самоорганизующихся сетях.
В последнее время появилось несколько исследований различных характеристик самоорганизующихся сетей с использованием технологии MIMO.
Данные работы охватывают исследования различных показателей пропускной способности и помехоустойчивости систем.
В работе [2] рассмотрены модели канатов MIMO для условий прямой видимости (Line Of Sight. LOS) и райссовских замираний. В процессе исследования учтены такие показатели, как распределение пропускной способности, количество приемных и передающих антенн. усредненная длина замирания, фактор замираний К. Также учтены негативные влияния пространственной корреляции. Исследования базируются на т. и. модели «двух колец», в которой предполагается, что как передатчик, так и приемник окружены рассеивающими элементами. Рассматриваются также вопросы разработки протокола уровня MAC.
В работе [3] изучалась максимальная пропускная способность двунаправленного каназа «точка-точка», при которой вероятность разрыва соединения была не выше установленного предела. Было показано что узлы сети, построенные на базе технологии MIMO, могут положительно повлиять на максимальную пропускную способность каназа «точка-точка», а также что для анализа пропускной способности в данном случае недостаточно одного лишь показателя отношения сигнал/шум-интерферешшя (S1KR). Анализ максимазьной пропускной способности базировался на центральной предельной теореме. Предполагалось, что сумма большого количества различно распределенных воздействий имеет распределение, близкое к гауссовскому.
Работа [4] отличается тем, что в ней рассматривается зависимость показателей пропускных способностей самоорганизующихся сетей в зависимости от сложности окружения сети/узла. Рассматривается также обратная пропорция между пропускной способностью каналов сети и площадью ее покрытия.
6. Обоснование и выбор темы для исследований.
Наиболее часто обсуждаемым вопросом самоорганизующихся сетей является вопрос из пропускной способности. Как и отмечалось выше, пропускная способность сети в целом зависит от ряда параметров:
- мощности и чувствительности присмоперсдающих устройств;
- расположения присмоперсдающих устройств в пространстве;
- ширины выделенного частотного канала;
- характеристик антенн присмоперсдающих устройств;
- иерархии приемопередаюших устройств сети;
Также, выше было сказано о неадекватности традиционного понятия пропускной способности применимо к большим самоорганизующимся сетям. Исходя из этого был сделан вывод о необходимости использования эквивалентных показателей, описанных в п. 4.1.
Выше также было установлено, что применение MISO и MIMO как технологий создания параллельных физических каналов передачи данных позволит повысить вышеозначенные показатели наряду с улучшением помехоустойчивости передачи сигналов и надежности связи в целом.
Необходимо исследовать и уточнить границы увеличения пропускной способности и радиуса действия систем при различных моделях каназа.
В ходе исследования для подтверждения теоретических выводов о пропускной способности и помехоустойчивости необходимо прибегнуть к компьютерному моделированию процессов помехоустойчивого и пространственно-временного кодирования и декодирования, модуляции и демодуляции сигнала и каналов распространения сигналов.
Результаты исследования могут быть применены при рафаботке стандартов самоорганизующихся сетей широкополосной радиосвязи, моделировании самоорганизующихся сетей в различных условиях распространения сигнала, а также при проектировании абонентских и базовых устройств.
