диссертация. Талғатұлы Т Диссертация. Республики казахстан
 Скачать 2.81 Mb.
|
|
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в печатной работе: «Студенческий»: научный журнал №16(144) 03.05.2021, «Механизмы доступа к среде для обеспечения минимизации задержки в условиях конкурентной среды в wlan сети с высокоплотным распределением устройств», стр. 4. «Студенческий»: научный журнал №16(144) 03.05.2021, «Анализ проблем и решений по обеспечению качества обслуживания в беспроводных сетях нелицензируемого диапазона», стр. 6. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, из трех глав, заключения, списка сокращений, списка литературы. 1 Аналитические исследования по теме исследуемого объекта 1.1. Проблемы обеспечения QoS в WLAN из-за влияния беспроводных технологий в нелицензируемом диапазоне Беспроводные локальные сети (WLAN - Wireless Local Area Networks) становятся все более популярными в домохозяйствах, бизнесе, промышленности и общественных местах из-за менее дорогостоящей сетевой инфраструктуры, и гибкости подключения. В настоящее время существует большая потребность в WLAN для поддержки мультимедийных приложений и приложений в режиме реального времени. С ростом требований беспроводных услуг пользователи беспроводных сетей ожидают высокое качество обслуживания (QoS - Quality of Service) и производительность, сопоставимую с доступной в фиксированных сетях. Обеспечение требований QoS, таких как хорошая пропускная способность, минимальная задержка доступа и потери пакетов являются сложными задачами в отношении IEEE 802.11 WLAN-протоколов. Поскольку WLAN работает в нелицензируемом диапазоне, в основном, существуют две основных QoS проблемы в беспроводных сетях на основе IEEE 802.11: проблемы обеспечения QoS в WLAN сети из-за влияния различных беспроводных технологий в нелицензируемом диапазоне. внутренние проблемы обеспечения QoS в IEEE 802.11. В этой главе проведен анализ возможности обеспечения QoS для WLAN сетей с точки зрения этих упомянутых выше проблем. Существует большое количество нелицензированных беспроводных сетей, которые работают в общих частотных диапазонах. Многие из этих сетей реализованы в портативных и наручных устройствах. Такие нелицензированные беспроводные сети могут работать в одном и том же диапазоне частот или даже на одном канале внутри диапазона. Это ставит вопрос о возможности сосуществовать этим сетям в непосредственной близости. В этом разделе описывается проблема сосуществования, которая влияет на поддержку QoS в WLAN сетях. 1.1.1 Беспроводные технологии в нелицензируемом диапазоне Промышленные, научные и медицинские (ISM – Industrial, Scientific and Medical) радиодиапазоны представляют собой радиодиапазоны (части радиочастотного спектра), зарезервированные на международном уровне для использования в промышленных, научных и медицинских целях соответственно. Примеры приложений в этих диапазонах включают в себя радиочастотное технологическое отопление, микроволновые печи и медицинские диатермические машины. Мощные выбросы этих устройств могут создавать электромагнитные помехи и прерывать радиосвязь с использованием той же частоты. В общем, пользователи не имеют нормативной защиты от работы ISM-устройства. Эти полосы: 902-928 МГц, 2400-2483,5 МГц и 5725-5850 МГц (рисунок 1.1) (где U-NII – нелицензированная полоса национальной информационной инфраструктуры). Наиболее заметным является ISM-полоса 2,4 ГГц. Действительно, ISM-полоса 2,4 ГГц – это полоса частот, используемая многими устройствами в настоящее время, включая IEEE 802.11 WLAN, IEEE 802.15.1 Bluetooth, IEEE 802.15.4 Zigbee.  Рисунок 1.1 – ISM-полоса Низкая стоимость и открытое использование ISM-диапазона неизбежно приводит к серьезным интерференциям между различными продуктами, интегрированными с различными технологиями с использованием той же полосы частот, что рассмотрено в разделе 1.1.2. Кратко рассмотрим некоторые популярные беспроводные технологии, работающие в нелицензируемом диапазоне. Исследование этих беспроводных технологий является необходимым, так как взаимодействие между ними влияет на поддержку качества обслуживания в WLAN. Bluetooth: Bluetooth, также известный как стандарт IEEE 802.15.1, основан на беспроводной радиосистеме, предназначенной для близкодействующих и дешевых устройств. Этот диапазон приложений известен как беспроводная персональная сеть (WPAN – Wireless Personal Area Network). Bluetooth позволяет осуществлять передачу голоса и данных по радиоканалу на небольшие расстояния (10 -100м) и соединять устройства при отсутствии прямой видимости. В Bluetooth определены две топологии подключения: пикосеть (piconet) и распределенная сеть (scatternet). Пикосеть представляет собой WPAN, образованную Bluetooth-устройством, служащим мастером (master), и одним или несколькими Bluetooth-устройствами, служащими в качестве подчиненных (slave). Подчиненные устройства сообщаются только с их мастером в режиме «точка-точка» под контролем мастера. Передача мастера осуществляется либо как точка-точка, либо как точка-многоточка. Кроме того, в активном режиме подчиненное устройство может находиться в режиме ожидания, чтобы уменьшить потребление энергии. Scatternet представляет собой набор операционных Bluetooth-пикосетей, перекрывающихся во времени и пространстве. Две пикосети могут быть подключены, чтобы сформировать scatternet. Bluetooth-устройство может одновременно участвовать в нескольких пикосетях, что позволяет обеспечить возможность передачи информации за пределы зоны покрытия одной пикосети. Устройство в scatternet может быть подчиненным в нескольких пикосетях, но мастер только в одном из них. Bluetooth работает на частотах от 2402 до 2480 МГц, или 2400 и 2483,5 МГц, включая защитные полосы шириной 2 МГц в нижней части и 3,5 МГц в верхней части. Bluetooth использует радиотехнологию, называемую частотным скачкообразным спектром. Bluetooth передает каждый пакет по одному из 79 назначенных каналов. Каждый канал имеет полосу пропускания 1 МГц. Он обычно выполняет 800 прыжков в секунду с включенной адаптивной скачкообразной перестройки частоты (AFH – Adaptive Frequency Hopping). ZigBee: Zigbee представляет собой спецификацию на основе IEEE 802.15.4 для набора высокоуровневых протоколов связи, используемых для создания персональных сетей с устройствами небольшой маломощности, предназначенные для небольших проектов, которым требуются беспроводное соединение, малое энергопотребление аппаратной части и низкая скорость передачи данных. Низкое энергопотребление ограничивает дальность передачи до 10-100 метров прямой видимости в зависимости от мощности и характеристик окружающей среды. Устройства Zigbee могут передавать данные на большие расстояния, используя ячеистую сеть (mesh network) промежуточных устройств, чтобы достичь более отдаленных. Zigbee поддерживает скорость 250 кбит/с и лучше всего подходит для прерывистой передачи данных от датчика. Сетевой уровень Zigbee поддерживает как звездообразную архитектуру сети, так и древовидную, а также общую ячеистую сеть. Устройства Zigbee разделяют на три вида: Zigbee Coordinator (ZC), Zigbee Router (ZR), Zigbee End Device (ZED). Zigbee работает на 26 каналах, в том числе 1 – 10 каналы работают в ISM-диапазоне 915 МГц, каналы 11 – 26 в ISM-диапазоне 2,4 ГГц, которые имеют разнесение 5 МГц и полосу пропускания 2 МГц для каждого канала. Wi-Fi: Wi-Fi (Wireless Fidelity) – это технология беспроводной локальной сети с устройствами, основанными на стандартах IEEE 802.11. Wi-Fi является торговой маркой Wi-Fi Союза. Wi-Fi устройства могут подключаться к интернету через WLAN и беспроводную точку доступа (AP – Access Point). Следует отметить, что в данной работе термины Wi-Fi, WLAN или IEEE802.11 используется с тем же значением. В стандарте IEEE 802.11 предусмотрены два типа базовых сетевых конфигураций: режим инфраструктуры (infrastructure mode), часто называемый «клиент/сервер». Станции взаимодействуют друг с другом через точку доступа (Access Point). Такая конфигурация носит название базового набора служб (Basic Service Set, BSS). Два или более BSS, образующих единую подсеть, формируют расширенный набор служб (Extended Service Set, ESS). режим Ad-hoc, часто называемый «точка - точка». Простая сеть, в которой связь между клиентами устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. Такая конфигурация носит название независимого базового набора служб (Independent Basic Service Set, IBSS). Стандарт IEEE 802.11 определяет спецификации уровней PHY (Physical Layer) и MAC (Media Access Control) для построения WLAN. Базовая версия стандарта была выпущена в 1997 году и имела последующие поправки. В исходном стандарте IEEE 802.11 были указаны три PHY: псевдослучайная перестройка рабочей частоты (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum), метод прямой последовательности для расширения спектра (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum) и инфракрасный (IR - Infrared). Кроме того, используются мультиплексирование с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM - Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) и их поправки для повышения скорости. На рисунке 1.2 представлены поправки IEEE 802.11 PHY уровня и их зависимости.  Рисунок 1.2 – Поправки IEEE 802.11 PHY-уровня и их зависимости IEEE 802.11 MAC-уровень основан на логических функциях, называемых координационными функциями: DCF (Distributed Coordination Function) на основе CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) и PCF (Point Coordination Function) на основе механизма опроса. Они будут описаны подробно в разделе 2.1. На рисунке 1.3 представлены поправки IEEE 802.11 MAC-уровня.  Рисунок 1.3 – Поправки IEEE 802.11 MAC-уровня 1.1.2. Взаимодействие беспроводных технологий Поскольку любое устройство может использовать нелицензируемые ISM-диапазоны бесплатно, а правила, определяемые правительствами конкретных стран, формально соблюдены, большое количество продукции, поддерживающей этот диапазон частот, может привести к серьезной интерференции и столкновению пакетов. ISM-диапазон 2,4 ГГц является одним из наиболее часто используемых нели-цензируемых диапазонов в настоящее время. Его используют тремя популярных видов устройств: WPAN IEEE 802.15.1 Bluetooth, WLAN IEEE 802.11 и WPAN IEEE 802.15.4 Zigbee. Существуют сложные гетерогенные системы с разнообразными характеристиками радиопередачи, которые работают одновременно в ISM-диапазоне в нескоординированной манере (uncoordinated manner). На самом деле такое совместное использование спектра среди различных устройств делает системы серьезно мешающими друг другу. Таким образом, неизбежно появляются серьезная интерференция и значительное ухудшение производительности, особенно в контексте поддержки качества обслуживания (QoS). В результате именно эти три типа устройства являются основными источниками интерференции. Вообще говоря, столкновение пакетов (интерференция) происходит, только когда технологии используют перекрывающиеся частоты (каналы) в перекрывающиеся периоды времени. Эта концепция показана на рисунке 1.4 (приведен пример для WLAN IEEE 802.11 Wi-Fi и WPAN IEEE 802.15.1 Bluetooth). Bluetooth и Wi-Fi устройства работают в общем диапазоне передачи. Легко видеть, столкновение двух пакетов, а именно второй и третий WLAN-пакеты, соответствующие третьему и седьмому пакетам Bluetooth.  Рисунок 1.4 – Пример столкновения пакетов Wi-Fi и Bluetooth Другой пример: Wi-Fi и Zigbee. Wi-Fi работает в том же частотном диапазоне, что и ZigBee, однако Wi-Fi использует высокую мощность по сравнению с ZigBee. При возникновении интерференции полученные пакеты отбрасываются без восстановления данных, и осуществляется повторная передача, что увеличивает вероятность порождения новых столкновений. Таким образом, явление интерференции приводит к уменьшению пропускной способности сети, являющейся одним из ключевых показателей QoS. Это приводит к существенному увеличению потерь и задержек, вплоть до критических. Кроме того, устройство ZigBee ожидает дольше для получения свободной среды для передачи с ожидаемыми потерями пакетов и повторной передачей, что приводит к быстрой разрядке аккумулятора датчика. Существует много факторов, которые влияют на уровень интерференции, а именно – разделение между устройствами, количество трафика данных, вытекающих над каждой из двух беспроводных сетей, уровни мощности различных устройств и скорость передачи данных по беспроводной сети, и т.д. Кроме того различные типы информации, отправляемой через беспроводные сети имеют разные уровни чувствительности к интерференции. В нелицензируемом диапазоне 2.4 ГГц возможны следующие сценарии возникновения интерференции: Wi-Fi и Bluetooth, Wi-Fi и Zigbee, Bluetooth и Zigbee, а также собственная интерференция. Рассмотрим в качестве примера два случая: 1) Wi-Fi и Bluetooth; 2) Wi-Fi и Zigbee. Это обусловлено тем, что интерференция между Bluetooth и Zigbee малозначима, так как их мощности передачи близки по значениям, а случаи совместной работы на практике встречаются крайне редко. Мощность передачи Wi-Fi намного больше, чем Bluetooth и Zigbee, следовательно, возможно значительное влияние интерференции. Воздействия Bluetooth, ZigBee на Wi-Fi невелики, поэтому интерференция, вызванная этими технологиями, не вызывает серьёзных проблем в поддержке QoS в WLAN сети. Проблема поддержки QoS для WLAN заключается во взаимодействии беспроводных сетей между собой и компонентов внутри беспроводной сети. В следующем разделе представим некоторые механизмы сосуществования для беспроводных технологий в целях сокращения ненужных воздействий. 1.1.3.Решения по обеспечению интерференции и сосуществования Как описано выше, рассмотрим решения для уменьшения интерференции в случаях: 1) Wi-Fi и Bluetooth; 2) Wi-Fi и Zigbee. Эти решения называются механизмами сосуществования. В настоящее время принято две классификации механизмов сосуществования. Первая использует в качестве критерия совместное использование ресурсов: частоты, времени и пространства. Однако эта классификация не указывает на возможность использования механизмов сосуществования для различных технологий. Вторая классификация, по группе IEEE TG2, ориентирована на взаимодействие устройств, а механизмы сосуществования разделяются на два типа: совместные и несовместные механизмы. Совместные механизмы (collaborative mechanisms) требуют непосредственной связи между технологиями семейства IEEE 802.11 и Bluetooth/Zigbee. Сосуществование осуществляется путем организации ортогональной передачи в домене времени. Необходимым условием является наличие модулей обеих технологий, реализованных на одной и той же физической единице (например, в одном пользовательском устройстве). Совместные механизмы разделяются на два типа: размещенные (collocated) и неразмещенные (non-collocated). Термин «размещенные» означает, что разные модули разных беспроводных технологий находятся на одном физическом устройстве. Совместные механизмы сосуществования особенно подходят для приложений размещенных сценариев, однако, их применение сложно из-за ряда ограничений. В большинстве случаев, Bluetooth/Zigbee и WLAN разделены физически, поэтому применение таких механизмов практически невозможно в случае использования разнородных устройств в одной сети. Несовместные механизмы (non-collaborative mechanisms) работают без осуществления какой-либо непосредственной связи между WLAN и Bluetooth/Zigbee модулями. Они добиваются сосуществования путем проведения двух взаимоувязанных процессов: классификации каналов и адаптивного управления действиями. Классификацией каналов называется процедура, используемая для оценки состояния канала и обнаружения интерференции. В настоящее время все несовместные механизмы используют такие показатели для оценки качества канала, как BER (Bit Error Rate), FER (Frame Error Rate), PLR (Packet Loss Rate), мощность, SNR (Signal to Noise Ratio), RSSI (Received Signal Strength Indication), LQI (Link Quality Indication), ACK (Acknowledgement), beacon и т.д. Адаптивное управление позволяет принимать решение, основываясь на результатах, полученных в процессе классификации канала. Адаптивное управление используется непосредственно для избегания интерференции. Объектом адаптивной подстройки могут выступать различные параметры и действия над ними: смена частоты (канала), регулирование мощности передачи, выбор наилучшего типа/длины пакетов, планирование передачи и прочее. При этом различные механизмы используют разные адаптивные управления действиями. Несовместные механизмы свободны от ограничений, свойственных совместным механизмам, поэтому применимы к большему числу сценариев и приложений. В таблицах 1.1 и 1.2 приведен результат анализа механизмов сосуществования технологии Wi-Fi с Bluetooth и Zigbee]. Можно сказать, что механизмы сосуществования используются для повышения производительности системы при наличии интерференции, а также снижают интерференцию, вызванную на других устройствах, активно действующих в диапазоне ISM. Однако не существует метода, который может быть использован для всех сценариев, поэтому можно выделить в отдельную задачу разработку рекомендаций по использованию механизмов сосуществования для заданного сетевого решения. Согласно исследованиям были исключены из дальнейшего рассмотрения возможных методов смягчения увеличение или уменьшение мощности передачи и фрагментация пакетов. Совместное планирование WPAN и WLAN передачи применимо только в особых обстоятельствах, когда Bluetooth/Zigbee и WLAN устройства работают на одном и том же узле. Таблица 1.1 – Анализ механизмов сосуществования между WLAN и Bluetooth
Продолжение таблицы 1
Таблица 1.2 – Анализ механизмов сосуществования между WLAN и Zigbee
Продолжение таблицы 1.2
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||