диссертация. Талғатұлы Т Диссертация. Республики казахстан
 Скачать 2.81 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Казахский Университет Путей Сообщения ТАЛҒАТҰЛЫ ТИМУР МАГИСТЕРСКАЯ ПРОЕКТ на тему:«Механизмы обеспечения Qos в беспроводных пакетных сетях нелицензируемого диапазона» по образовательной программе: 7M06201 «Радиотехника, электроника и телекоммуникаций» «Допустить к защите» Научный руководитель: ________ Доктор Ph.D. Смайлов Н.К. «___» _______ 2022г. Алматы, 2022 Содержание Нормативные ссылки...........................................................................................................4 Определения..........................................................................................................................5 Обозначения и сокращения.................................................................................................6 Введение.................................................................................................................................7 1 Аналитические исследования по теме исследуемого объекта .........................10 1.1 Проблемы обеспечения QoS в WLAN из-за влияния беспроводных технологий в нелицензируемом диапазоне....................................................................10 1.1.1 Беспроводные технологии в нелицензируемом диапазоне...............................10 1.1.2 Взаимодействие беспроводных технологий........................................................14 1.1.3 Решения по обеспечению интерференции и сосуществования........................16 1.2 Внутренние проблемы обеспечения QoS в IEEE 802.11 ...................................19 1.2.1 Проблемы в обеспечении качества обслуживания в IEEE 802.11 ...................20 1.2.2 Обзор решений для обеспечения QoS в WLAN сети.........................................24 1.3 Анализ производительности беспроводной локальной сети со многими точками доступа .................................................................................................................26 1.3.1 Анализ влияния перекрывающихся каналов.......................................................27 1.3.2 Анализ влияния расстояния между точками доступа........................................29 1.3.3 Анализ производительности WLAN сети со многими точками доступа........30 1.4 Выводы по первой главе.........................................................................................32 2. Научные исследования по теме исследуемого объекта.....................................33 2.1 Механизмы доступа в беспроводных локальных сетях.......................................33 2.1.1 Механизм конкуренции..........................................................................................33 2.1.2 Механизм опроса.....................................................................................................36 2.2 Анализ преимуществ и недостатков механизмов конкуренции и опроса..... 37 2.3 Имитационное моделирование для анализа возможности механизмов конкуренции и опроса в поддержке QoS........................................................................40 2.4 Выводы по второй главе.........................................................................................44 3 Расчет параметров исследуемого объекта...........................................................45 3.1 Механизм мультиопроса на основе приоритезации...........................................45 3.1.1 Обзор механизмов одиночного опроса и мультиопроса...................................47 3.2 Оценка эффективности механизма мультиопроса с точки зрения расхода опроса...................................................................................................................................49 3.2.1 Реализация механизма обновления списка опроса.............................................50 3.2.2 Решение проблемы скрытого узла в PLU-периоде.............................................54 3.2.3 Реализация механизма мультиопроса...................................................................55 3.2.4 Решение проблемы скрытого узла в MPP-периоде............................................56 3.3 Оценка эффективности механизма мультиопроса с точки зрения критериев QoS........................................................................................................................................57 3.3.1Выбор программных обеспечений для моделирования.......................................62 3.4 Выводы по третьей главе........................................................................................71 Заключение..........................................................................................................................72 Список использованных источников...............................................................................73 Нормативные ссылки В настоящей диссертации использованы ссылки на следующие стандарты: 1. IEEE 802.11 – набор стандартов связи для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне частотных диапазонов 0,9; 2,4; 3,6; 5 и 60 ГГц. 2. IEEE 802.15.1 – это рабочая группа IEEE, входящая в комитет стандарта IEEE 802. Группа занимается определением стандарта беспроводных персональных сетей (WPAN). Включает в себя семь целевых групп. 3. IEEE 802.15.4 – стандарт, который определяет физический слой и управление доступом к среде для беспроводных персональных сетей с низким уровнем мощности сигнала и скоростями до 480 Мбит/с. Стандарт поддерживается рабочей группой IEEE 802.15. 4. IEEE 802.11e – это поправки к стандарту IEEE 802.11, которые определяют серию улучшений Quality of Service для приложений, работающих в WLAN сетях. Данные поправки изменяют Media Access Control (MAC) уровень стандарта IEEE 802.11. 5. IEEE 802.11n – версия стандарта 802.11 для сетей Wi-Fi, появившаяся в 2009 году. Получила название Wi-Fi 4. Работает в диапазонах 2,4 и 5 ГГц (устройства, поддерживающие диапазон 5 ГГц встречаются гораздо реже), позволяет достигать скоростей до 150 Мбит/с при ширине канала 40 МГц на каждую независимую антенну. 6. IEEE 802.11ac – стандарт беспроводных локальных сетей Wi-Fi, работающий в диапазоне частот 5 ГГц. Получил название Wi-Fi 5. Обратно совместим с IEEE 802.11n (в диапазоне 5 ГГц) и IEEE 802.11a; устройства данного стандарта обычно также реализуют стандарт 802.11n в диапазоне 2,4 ГГц. 7. IEEE 802.11ad – это поправка к стандарту беспроводной сети IEEE 802.11, разработанная для обеспечения стандарта Multiple Gigabit Wireless System (MGWS) на частоте 60 ГГц, и является сетевым стандартом для сетей WiGig. 8. IEEE 802.11ax – стандарт беспроводных локальных компьютерных сетей в наборе стандартов IEEE 802.11. В дополнение к использованию технологий MIMO и MU-MIMO, в стандарте Wi-Fi 6 вводится режим ортогонального частотного мультиплексирования (OFDMA) для улучшения спектральной эффективности, и модуляция 1024-QAM для увеличения пропускной способности; хотя номинальная скорость передачи данных только на 37 % выше, чем в предыдущем стандарте IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5), ожидается, что WiFi 6 позволит в 4 раза увеличить среднюю пропускную способность за счет более эффективного использования спектра и улучшений для плотного развертывания. Определения В настоящей диссертации использованы ссылки на следующие определения: Затухание – снижение мощности светового сигнала при его передаче. Беспроводные локальные сети – локальная сеть, построенная на основе беспроводных технологий. Лoкaльнaя ceть – это компьютерная сеть, позволяющая нескольким компьютерам (офисам, квартирам, домам, районам) подключаться к Интернету через единую точку доступа. Качество обслуживания – технология предоставления различным классам трафика различных приоритетов в обслуживании, также этим термином в области компьютерных сетей называют вероятность того, что сеть связи соответствует заданному соглашению о трафике, или же, в ряде случаев, неформальное обозначение вероятности прохождения пакета между двумя точками сети. Точка беспроводного доступа – это базовая станция, предназначенная для обеспечения беспроводного доступа к уже существующей сети (беспроводной или проводной) или создания новой беспроводной сети. Пропускная способность – метрическая характеристика, показывающая соотношение предельного количества проходящих единиц (информации, предметов, объёма) в единицу времени через канал, систему, узел. Обозначения и сокращения В нacтoящeй диccepтaции иcпoльзoвaны ccылки нa cлeдующиe oбoзнaчeния и coкpaщeния: LAN – Local Area Network (лoкaльнaя ceть) QoS – Quality of Service (качество обслуживания) WLAN – Wireless Local Area Network (беспроводная локальная сеть) OBSS – Overlapping Basic Service Set (перекрывающиеся наборы базовых услуг) ISM – Industrial, Scientific and Medical (промышленные, научные и медицинские) WPAN – Wireless Personal Area Network (беспроводная персональная сеть) AFH – Adaptive Frequency Hopping (адаптивная скачкообразная перестройка частоты) Wi-Fi – Wireless Fidelity (технология беспроводной локальной сети) AP – Access Point (беспроводная точка доступа) PHY – Physical Layer (физический уровень) MAC – Media Access Control (управление доступом к среде) FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum (псевдослучайная перестройка рабочей частоты) DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum (метод прямой последовательности для расширения спектра) IR – Infrared (инфракрасный) OFDM – Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (ортогональным частотным разделением каналов) MIMO – Multiple Input Multiple Output (метод пространственного кодирования сигнала) DCF – Distributed Coordination Function (координационные функции) CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (сетевой протокол, в котором: используется схема прослушивания несущей волны) PCF – Point Coordination Function (функция координации точек) FTP – File Transfer Protocol —базовый протокол передачи файлов HTTP – HyperText Transfer Protocol (протокол передачи гипертекста) EDCA – Enhanced Distributed Channel Access (Расширенный доступ к распределенному каналу) SNR – Signal to Noise Ratio (отношение сигнал/шум) RSSI – Received Signal Strength Indication (показатель уровня принимаемого сигнала) Введение Актуальность темы исследования. Беспроводные локальные сети становятся все более популярными благодаря более дешевой сетевой инфраструктуры и гибкости подключения. С растущим спросом на беспроводные услуги пользователи беспроводной связи ожидают, что качество обслуживания (QoS) и производительность сопоставимы с теми, которые доступны в фиксированных сетях. Достижение требований QoS, таких как хорошая пропускная способность, минимальная задержка доступа и потеря пакетов, является проблемой для протоколов WLAN IEEE 802.11. Поскольку WLAN работает в нелицензируемом диапазоне, в беспроводных сетях, основанных на IEEE 802.11, в основном возникают две основные проблемы с QoS: проблемы обеспечения QoS в сети WLAN под влиянием беспроводных технологий в нелицензируемом диапазоне, таких как Bluetooth, Zigbee; внутренние проблемы обеспечения QoS в IEEE 802.11. Фактически, несмотря на совместимость беспроводных технологий, влияние Bluetooth, ZigBee на WLAN не является исключительным, поэтому помехи, вызванные этими технологиями, не вызывают серьезных проблем в поддержании QoS в WLAN. Таким образом, проблема поддержки QoS для WLAN заключается в функциональной совместимости сетей WLAN или компонентов в WLAN и необходимости поддержки мультимедийных приложений и приложений в реальном времени. В целом внедрение WLAN приводит к значительному увеличению не только количества станций, которые их используют, но и количества точек доступа. Учитывая это, существует множество WLAN в непосредственной близости друг от друга, каждая из которых одновременно пытается доставить как можно больше данных, это становится весьма вероятным. В результате WLAN начинают испытывать перегрузку и взаимные помехи. Эти перегрузки и помехи серьезно ограничивают производительность этих сосуществующих сетей WLAN. Несмотря на широкий спектр научных работ (множество аналитических моделей и подходов), возможность поддержки QoS для таких WLAN по-прежнему ограничена, поскольку большинство исследований сосредоточено на WLAN с единственной точкой доступа. Отсутствие адекватных механизмов, позволяющих избежать помех и гарантировать QoS элементов, происходящих из разных типов трафика WLAN, поднимает вопрос о необходимости создания механизмов или методов, которые позволяют сети WLAN с высокой плотностью работать более эффективно, что определяет актуальность темы этого исследования. Степень проработанности предмета. В настоящее время ведется большая исследовательская работа в области исследования QoS в сетях WLAN, которые условно можно разделить на два направления. Первая область связана с проблемами QoS, возникающими при развертывании устройств WLAN. Например, проблема со скрытым узлом, проблема с небезопасным узлом, перекрывающимся базовым набором услуг (OBSS – Overlapping Basic Service Set), серьезные последствия помех, такие как обрыв канала, эффект взаимоблокировки и эффект усиления помех. Вторая область исследований касается обеспечения QoS в WLAN для различных типов трафика, таких как мультимедиа, трафик с переменной скоростью и трафик в реальном времени. Цель работы и задачи исследования. Целью данной диссертационной работы является увеличение пропускной способности, уменьшение задержек и потерь пакетов в WLAN высокой плотности с множеством точек доступа за счет улучшения механизмов доступа к среде. Для достижения поставленной цели в главах диссертационной работы решается ряд задач: анализ проблем обеспечения QoS в WLAN с учетом влияния беспроводных технологий нелицензируемого диапазона; анализ показателей функционирования WLAN с учетом взаимного влияния ее элементов; анализ механизмов доступа к среде: механизм конкуренции и механизм опроса; разработка и исследование комбинированного механизма приоритезации для обеспечения минимизации задержки при конкуренции между соседствующими WLAN; разработка и исследование механизма мультиопроса на основе приоритезации для высокоплотной WLAN сет; оценка эффективности механизма мультиопроса с точки зрения критериев качества обслуживания трафика с использованием имитационного моделирования; разработка и исследование метода планирования трафика для поддержки трафика с переменной скоростью и повышения пропускной способности для механизма мультиопроса. Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы: приоритетная очередь: используется для предоставления очередей с приоритетами на MAC-уровне, пакеты данных разделяются на основе приоритетов; дифференцированные услуги; DFS (Distributed Fair Scheduling: каждому потоку присваивается некоторый вес в зависимости от его приоритета и пропускная способность, полученная им пропорциональна этому весу; изменение DIFS (DCF Interframe Space): варьируется продолжительность распределенного межкадрового интервала (DIFS) для дифференциации потоков. Такая технология очень полезна в приложениях реального времени, где задержки имеют большее значение по сравнению с потерями пакетов. Научная новизна. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной: предлагается комбинированный механизм приоритезации, чтобы гарантировать минимизацию задержки в конкурентной среде в WLAN с высокой плотностью. Он отличается от существующих механизмов тем, что сочетает в себе механизмы конкуренции и опроса для WLAN с высокой плотностью размещения и учитывает взаимное влияние точек доступа. В этом случае соревнование проводится не между станциями, а между точками доступа на основе списка приоритетного голосования; для сетей WLAN высокой плотности предлагается основанный на приоритетах механизм множественного опроса, который может снизить затраты на опрос, задержку и потерю пакетов. В отличие от известных механизмов опроса, список опроса обновляется и управляется с приоритетом; изменения внесены в рамках опроса; процедура перевода будет осуществляться в указанном порядке. Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы состоит в расширении класса механизмов доступа на МАС уровне стандарта IEEE 802.11, расширен класс механизмов опроса стандарта IEEE 802.11 для создания, управления и использования списка опроса расширен класс методов обеспечения трафика с переменной скоростью. Практическая ценность работы состоит в том, что общий механизм позволяет планировать доступ к среде при конкуренции между WLAN сетями, и тем самым уменьшить влияние помех и задержки, механизм мультиопроса механизма позволяет решить проблемы накладывающихся основных наборов. |