Организация прозрачного обмена данными с помощью универсального сетевого шлюза в публичной гетерогенной беспроводной сети

Актуальность темы

.

Разработка методов совмещения беспроводных телекоммуникационных, измерительных и управляющих систем является перспективным направлением в системах телекоммуникации [1−5]. Вопросами организации сетей, в том числе беспроводных, занимаются ведущие специалисты, работающие в данной области, среди которых профессоры Института проблем передачи информации РАН, команда Лаборатории беспроводных систем мониторинга ИТМиВТ РАН, а так же Калифорнийский Университет Berkeley (США). Каждый из современных беспроводных сетевых стандартов разработан под конкретные устройства связи и обладает своими особенностями [4−11]. Для организации высокоэффективного беспроводного сетевого взаимодействия необходимо использовать несколько стандартов беспроводной связи одновременно, чтобы учитывать специфику каждого сетевого узла: необходимый уровень энергосбережения, достаточная пропускная способность и надёжность доставки сообщений [6, 8, 9, 10, 12]. Естественным является «прозрачный» обмен данными между устройствами в гетерогенной сети — когда узлы сети обмениваются данными с другими узлами сети, как будто они подключены напрямую друг к другу [9, 11−13].

К настоящему времени можно выделить группу стандартов, распространённых среди современных устройств беспроводной передачи информации — IEEE 802.11, 802.15. Публичная гетерогенная беспроводная сеть — это сеть, состоящая из сегментов, функционирующих в едином безлицензионном диапазоне ISM 2.4 ГГц (Industrial, Scientific and Medical — промышленный, научный и медицинский радиочастотный диапазон) согласно стандартов данной группы. Для обеспечения передачи данных из одного сегмента публичной гетерогенной беспроводной сети в другой её сегмент необходимо организовать один или несколько беспроводных сетевых шлюзов доступа [2, 10, 11, 13−14]. Беспроводный сетевой шлюз, как узел стыковки сегментов сети, функционирующих в общем случае по разным сетевым стандартам связи, является «узким местом» сети. В этой связи необходимо создать, проанализировать и исследовать модель сетевого шлюза на удовлетворение требований, предъявляемых к используемым беспроводным сетевым стандартам.

Каждый беспроводный стандарт связи имеет свой собственный протокол организации сети, который, как правило, включает протокол автоматической настройки сетевого узла и протокол предотвращения коллизий. Стандарты групп беспроводных сетевых стандартов IEEE 802.11, 802.15 подразумевают функционирование беспроводной сети в едином безлицензионном диапазоне частот ISM 2.4 ГГц. Каждый беспроводный сетевой стандарт определяет для передачи данных определённые методы кодирования информации, модуляции сигнала и доступа к среде, которые в общем случае для разных беспроводных сетевых стандартов являются различными. Существует проблема организации автоматической настройки узлов в рамках сетей. Задача автоматической настройки сетевых узлов и уменьшения их взаимного влияния решена для каждого из беспроводных стандартов, то есть сегментов гетерогенной беспроводной сети, в отдельности.

Решение задачи автоматической настройки сетевых узлов в рамках единой беспроводной гетерогенной сети требует создания алгоритма перенаправления пакетов, который реализуется внутри универсального шлюза. Данная модель должна учитывать различные факторы, обусловленные особенностями стандартов беспроводной связи, а также предоставлять возможность автоматического расширения сети за счёт подсоединения новых узлов без нарушения работы сети в целом.

Известно, что имеет место взаимное влияние устройств, функционирующих по различным сетевым стандартам групп IEEE 802.11, 802.15 в диапазоне частот ISM 2.4 ГГц. Для организации эффективного обмена данными в гетерогенной беспроводной сети необходимо минимизировать взаимное влияние, однако в настоящее время данная задача решена лишь в рамках отдельных беспроводных стандартов связи [15−17]. В этой связи задача минимизации взаимного влияния устройств в рамках единой сети требует создания алгоритма автоматической оценки текущего состояния физической среды передачи, а также при необходимости автоматической настройки радиочастотных трактов приёмо-передающих устройств всех используемых стандартов связи — одна из разновидностей «когнитивного радио» [15−19].

Целью диссертационной работы разработка и исследование алгоритмов функционирования универсального шлюза и математических моделей для организации «прозрачного» обмена данными в гетерогенной сети с учетом взаимного влияния узлов.

В соответствии с поставленной целью в работе выполняются следующие задачи:

• анализ беспроводных стандартов связи группы IEEE802. il, IEEE 802.15;

• разработка алгоритма автоматической настройки сетевых узлов в рамках интеллектуальной беспроводной гетерогенной сети;

• разработка универсального алгоритма выбора частотного канала;

• разработка математической модели оценки состояния радиочастотного эфира диапазона ISM 2.4 ГГц;

• реализация и экспериментальное исследование универсального шлюза и реализуемых ним моделей и алгоритмов.

Объектом исследования является универсальный беспроводный сетевой шлюз, организующий «прозрачный» обмен данными в гетерогенной беспроводной сети, а предметом исследования — модели и алгоритмы интеллектуального объединения беспроводных устройств различных стандартов в единую гетерогенную сеть.

Методы исследования. Для реализации намеченной цели исследования и решения поставленных задач были использованы следующие научные методы и подходы: методы системного анализа, математического анализа, теории вероятности, объектно-ориентированное программирование, моделирование и расчёты на ПЭВМ.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

• разработан и исследован новый алгоритм автоматической настройки сетевых узлов в рамках единой беспроводной гетерогенной сети;

• разработан и исследован универсальный алгоритм выбора частотных каналов;

• разработана и исследована математическая модель анализа радиочастотного эфира;

• выполнено математическое моделирование и экспериментальная верификация разработанных моделей и алгоритмов.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:

• разработан и исследован экспериментальный образец универсального шлюза;

• разработанные модели и алгоритмы позволяют обеспечить объединение беспроводных устройств в гетерогенную сеть;

• разработанные алгоритмы, модели и программы внедрены в существующие аппаратные платформы для организации прозрачного обмена данными с учётом взаимного влияния сетевых устройств.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в ходе диссертационного исследования, обеспечиваются соответствием разработанных моделей и алгоритмов известным теоретическим и практическим результатам и реальным процессам объединения устройств в беспроводную гетерогенную сеть, и подтверждаются положительными результатами их практической реализации в процессе верификации при оценке передачи данных в рамках гетерогенной сети.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. алгоритм автоматической настройки сетевых узлов;

2. универсальный алгоритм выбора номера частотного канала;

3. математическая модель оценки состояния радиочастотного эфира диапазона ISM 2.4 ГГц.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (2008, 2009, 2010 гг.), XV, XVI, XVII, XVIII Международных студенческих конференциях-школах-семинарах «Новые информационные технологии» (2007, 2008, 2009, 2010 гг.). Результаты работы вошли в научно-технические отчёты по НИОКР «Разработка аппаратных и программных средств в целях внедрения информационных технологий в производственный процесс» (номера государственной регистрации НИОКР 1 200 802 405 и 1 200 952 487). Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 010 612 832 от 24.04.2010 г.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав с 16 таблицами и 34 иллюстрациями (рисунки, графики, схемы, экранные формы и т. д.), заключения, приложений и библиографического списка, состоящего из 72 названий. Общий объём работы без учёта приложений составляет 137 страниц.

Основные результаты экспериментального исследования представлены в табл. 5.1. В качестве качественных изменений стоит отметить, что для стандарта IEEE 802.11 произошёл прирост пропускной способности канала связи на 14%, увеличилась зона покрытия базовой станции на 30%. Для стандарта IEEE 802.15.1 показатели остались примерно равными, что обусловлено в частности и методом передачи сигнала в канале — методом частотных скачков FHSS. Для стандарта IEEE 802.15.4 на 75% увеличилась зона покрытия базовой станции.

Результаты диссертационной работы могут быть полезны для разработчиков устройств — сетевых шлюзов гетерогенных сетей, системных администраторов и инженеров ЛВС. Результаты математических выкладок, приведённых в диссертации, могут быть применены в качестве базового материала для лабораторных и практических работ по учебным дисциплинам, связанным с частотным планированием и электромагнитной совместимостью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам проведённых исследований и разработок можно сделать следующие заключения и выводы.

Проведён анализ беспроводных стандартов связи группы IEEE 802. lx, выполнена их классификация, выявлены наиболее распространённые из них, проведена их оценка. Обоснован выбор стандартов IEEE802. il, IEEE 802.15.1 и IEEE 802.15.4 для проведения научного исследования.

Даны определения универсального беспроводного сетевого шлюза и интеллектуальной гетерогенной беспроводной сети. Обоснована необходимость применения универсального беспроводного сетевого шлюза для организации «прозрачного» обмена данными между устройствами в рамках единой гетерогенной беспроводной сети.

Изучены основные алгоритмы автоматической настройки сетевых узлов в рамках рассматриваемых сетевых стандартов. Предложен алгоритм адаптации существующих стандартов для их работы в рамках единой беспроводной гетерогенной сети — адаптация протоколов IP-совместимых сетей для IP-несовместимых. Разработана модель алгоритма автоматической настройки сетевых узлов в рамках единой гетерогенной беспроводной сети с использованием модуля-посредника для IP-несовместимых сетей.

Разработан универсальный алгоритм выбора номеров каналов для приёмопередающих устройств, а также математическая модель алгоритма оценки состояния радиочастотного эфира для устройств, функционирующих по стандартам группы IEEE 802. lx с использованием дискретных входных данных. Предложен алгоритм минимизации взаимного влияния устройств, использующий метод оценки энергетической составляющей.

На основе разработанных в диссертационной работе моделей и алгоритмов созданы эффективные программные реализации, внедрённые в существующие программно-аппаратные платформы ASUS WL-500gP и.

ZaoZeo Tion-Pro v2 с целью универсализации беспроводного сетевого шлюза и экспериментальной верификации предложенных моделей и алгоритмов.