12. Способы и приёмы управления доступом к беспроводному

УДК 004.732
СПОСОБЫ И ПРИЁМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДОСТУПОМ К БЕСПРОВОДНОМУ
КАНАЛУ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ГАЗОТРАНСПОРТНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
НА ОСНОВЕ СЕТЕЙ МАРКОВА
Анисимов Д. В.
Россия, г. Орёл, Академия ФСО России
Рассматривается алгоритм управления доступом к беспроводному каналу сети передачи
данных газотранспортного предприятия, основанный на анализе как ненасыщенной, так и
насыщенной пропускной способности сети в сочетании с модифицированной цепью
Маркова, описывающей состояния передающей станции.
Consider an algorithm controlling access to a wireless channel data network gas transportation
company, based on the analysis of both unsaturated and saturated bandwidth in conjunction with
a modified Markov chain, which describes the state of the transmitting station.
Управление доступом в беспроводных сетях передачи данных (СПД) имеет важное
значение при обработке запросов приложений, к которым применяются требования
качества обслуживания (QoS). Это особенно сказывается на таких параметрах
беспроводной сети, как задержка при передаче данных или пропускная способность.
Особенностью использования беспроводной среды передачи данных в сетях IEEE 802.11
является возможность передачи одной станцией пакетов без учёта возможности передачи
другими станциями. Это приводит к перегрузке всей сети [1]. Так же требование к QoS
каждого потока трафика не может быть гарантировано в конкурирующей среде сети
IEEE 802.11. На основе анализа прогнозируемой пропускной способности [2],
предлагается алгоритм управления доступом к среде в сетях IEEE 802.11 для потоков
трафика с требованиями к QoS, повышающего эффективность использования сетевых
ресурсов.
Алгоритм управления доступом. Целью управления доступом является гарантия
наибольшей необходимой полосы пропускания для осуществления запросов соединения.
Рассмотрим типичный для сетей 802.11 случай, когда имеется одна точка доступа (access
point, AP), которая и будет производить координацию в сетевом сегменте. Таким образом,
местом реализации рассматриваемого алгоритма будет данная AP, которая будет собирать
такие параметры трафика, как вероятности столкновения, вероятности передачи для
каждой мобильной станции и т.д., для оценки производительности в ненасыщенных
ситуациях.
Входными данными для алгоритма являются: размер данных для нового потока
запросов с требованием к QoS. На выходе алгоритма принимается решение о приеме
потока запросов. Описываемый алгоритм представлен на рисунке 1.
Предлагаемый алгоритм состоит из следующих этапов:
1. Вычисление вероятности столкновения и вероятности передачи для каждой
мобильной станции, производимое AP в процессе своей работы постоянно.
Для этого, исходя из результатов работы [2], необходимо получить:
q – вероятность пустой очереди (вероятность отсутствия передачи) у станции k:
q  1 k / k
(1)
где для станции k поступление пакетов описывается в виде пуассоновского процесса с
интенсивностью k и скоростью обработки пакетов  k ;
вероятность неудачной передачи, которая может быть вычислена как:
pk  1  (1  p f )(1  pc )  p f  pc  p f pc
(2)
где pf – вероятность ошибки кадра и pc – вероятность столкновения пакетов для
станции k;
вероятность передачи станцией k в случайно выбранном интервале времени может
быть рассчитана как:
2(1  pkm  f 1 )
k 
(
[1  (2 pk ) m 1 ](1  pk )
2q(1  pk )
m  f 1
m
f 
(3)
 (1  pk
) W 
 pk (2 pk ) (1  pk )
1 q
1  2 pk


1
Начало
2
Вычисление вероятности
столкновения и вероятности передачи
для каждой мобильной станции
3
Запрос подключения с
требованием QoS
Нет
Да
4
Необходимая
пропускная
способность
5
Расчёт остаточной (ненасыщенной)
пропускной способности
6
Расчёт максимальной (насыщенной)
пропускной способности
Нет
7
Проверка
пропускной способности на
соответствие QoS
Да
8
Конец
Рисунок 1 – Алгоритм управления доступом в беспроводном канале СПД.
Соответственно вероятность столкновения:
pc  1  (1   ) n 1
(4)
Ptr – вероятность того, что, по крайней мере, одна станция передает в данном
временном интервале. Поскольку n мобильных станций конкурируют за доступ к среде
передачи, и каждая станция передает с вероятностью  k (i=1, ..., n), то значение Ptr может
быть рассчитано как:
n
Ptr  1   (1   i )
(5)
i 1
Ps – вероятность того, что произведена успешная передача по каналу, которая
рассчитывается как отношение между вероятностью передачи по каналу во временном
интервале одной станцией, в зависимости от вероятности того, что, по крайней мере, одна
станция передает в том же временном интервале:
n
n
Ps 
  (1  
i 1
i
j
)
j 1, j  i
(6)
Ptr
2. Если получен запрос на передачу данных с требованием к QoS, то производится
вычисление остаточной (ненасыщенной) пропускной способности Cu следующим
способом:
n
Cu 
E[ L](1   qi ) Ptr Ps
i 1
(7)
(1  Ptr )T  Ptr PsTs  Ptr (1  Ps )Tc  Ptr Ps p f Te
где T – время отсутствия передачи по каналу, Ts – среднее время занятости канала
при успешной передаче пакета, Tc – среднее время занятости канала каждой станцией изза неудачной передачи пакетов, вызванной столкновениями процессов.
3. Вычисление насыщенной пропускную способности Cs . Анализ насыщенной
пропускной способности достигается путем установки вероятность отсутствия передачи
q=0 для всех мобильных станций. Для получения вероятности столкновения и
вероятности передачи в насыщенном состоянии, необходимо решить уравнения:
2(1  p m  f 1 )(1  2 p)

(1  p m  f 1 )(1  2 p)  W [(1  (2 p) m 1 )(1  p)  p(2 p) m (1  p f )(1  2 p)]
(8)
pk  p f  c  p f c
pc  1  (1   ) n 1
Следовательно, ожидаемая насыщенная пропускная способность может быть
рассчитана как:
Ps Ptr E[ L]
Cs 
(9)
(1  Ptr )T  Ps PtrTs  Ptr (1  Ps )Tc  Ps PtrTe p f
4. Определение разницы между насыщенными и ненасыщенными пропускными
способностями. В результате, если a | Cs  Cu | , тогда принимается решение о передаче
данных по запросу, иначе запрос отклоняется и производится переход на 1 этап.
Полученный алгоритм управления доступом для сетей IEEE 802.11 на базе
механизма доступа DCF, основан на полученной в работе [2] аналитической модели.
Новизна полученного алгоритма заключается в анализе как ненасыщенной, так и
насыщенной пропускной способности сети в сочетании с модифицированной цепью
Маркова, описывающей состояния передающей станции, среди которых могут быть
состояния, при которых отсутствуют пакеты готовые к передаче.
Литература
1. Ерёменко В.Т., Анисимов Д.В., Черепков С.А., Лякишев А.А., Чупахин П.А.
Моделирование пропускной способности сегмента беспроводной сети АСУП на базе
стандарта 802.11 // Информационные системы и технологии. 2013. № 2. С. 82 – 86.
2. Анисимов Д.В. Моделирование состояний пропускной способности беспроводного
канала сети передачи данных газотранспортного предприятия на основе сетей Маркова //
Информационные системы и технологии. 2013. № 5.
Анисимов Дмитрий Владимирович, научный сотрудник Академии ФСО России,
г. Орел, Тел.: 8(920) 286-86-35, E-mail: [email protected]