Программу составил: А.И. Ляхов, доктор технических наук

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Московский физико-технический институт (государственный университет)»
МФТИ
«УТВЕРЖДАЮ»
Проректор по учебной и методической работе
_______________ Д.А. Зубцов
«___»______________ 20___ г.
Рабочая программа дисциплины (модуля)
по дисциплине:
Математические методы оценки производительности беспроводных сетей
Прикладные математика и физика (бакалавриат)
по направлению:
профиль подготовки/
магистерская программа: Инфокоммуникационные и вычислительные системы и технологии
факультет:
радиотехники и кибернетики
кафедра:
проблем передачи информации и анализа данных
курс:
4
квалификация:
бакалавр
Семестр, формы промежуточной аттестации: 8 (Весенний) - Дифференцированный зачёт
Аудиторных часов: 34 всего, в том числе:
лекции: 34 час.
практические (семинарские) занятия: 0 час.
лабораторные занятия: 0 час.
Самостоятельная работа: 5 час. всего, в том числе:
задания, курсовые работы: 0 час.
Подготовка к экзамену: 0 час.
Всего часов: 39, всего зач.ед.: 1
Программу составил: А.И. Ляхов, доктор технических наук, профессор
Программа обсуждена на заседании кафедры
14 мая 2014 года
СОГЛАСОВАНО:
Заведующий кафедрой
А.П. Кулешов
Декан факультета радиотехники и кибернетики
С.Н. Гаричев
Начальник учебного управления
И.Р. Гарайшина
1. Цели и задачи
Цель дисциплины
Овладение студентами основными математическими методами, применяемыми для оценки
производительности современных локальных, городских и персональных широкополосных
беспроводных сетей, их протоколов и компонент.
Задачи дисциплины
- изучение математического аппарата, применяемого для оценки производительности современных беспроводных сетей и основанного на различных разделах теории вероятностей и
математического анализа;
- обучение студентов приемам формального описания работы беспроводных сетей, их протоколов и компонент; выработка умения выделять наиболее существенные особенности работы
современных беспроводных сетей, их протоколов и компонент с целью разработки их математических моделей, обеспечивающих приемлемые точность и ресурсоемкость оценки производительности;
- оказание консультаций студентам в проведении собственных теоретических и
экспериментальных исследований телекоммуникационных сетей и систем.
2. Место дисциплины (модуля) в структуре образовательной программы бакалавриата (магистратуры
Дисциплина «Математические методы оценки производительности беспроводных сетей»
включает в себя разделы, которые могут быть отнесены к вариативной части цикла Б.1.
Дисциплина «Математические методы оценки производительности беспроводных сетей» базируется
на дисциплинах:
Протоколы канального уровня беспроводных сетей.
Дисциплина «Математические методы оценки производительности беспроводных сетей» предшествует изучению дисциплин:
Теоретические основы беспроводной связи.
3. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю), соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной
Освоение дисциплины «Математические методы оценки производительности беспроводных сетей»
направлено на формирование следующих общекультурных, общепрофессиональных и профессиональных компетенций бакалавра/магистра:
способность анализировать научные проблемы и физические процессы, использовать на
практике фундаментальные знания, полученные в области естественных наук (ОК-1);
способность осваивать новую проблематику, терминологию, методологию и овладевать научными знаниями и навыками самостоятельного обучения (ОК-2);
способность логически точно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь,
формулировать свою точку зрения; владение навыками ведения научной и общекультурной
дискуссий (ОК-4);
способность применять в своей профессиональной деятельности знания, полученные в области физических и математических дисциплин, включая дисциплины: информатика, программирование и численные методы; физические основы получения, хранения, обработки и передачи информации; высшая математика (ПК-1);
2
способность понимать сущность задач, поставленных в ходе профессиональной деятельности, и использовать соответствующий физико-математический аппарат для их описания и
решения (ПК-3);
способность использовать знания в области физических и математических дисциплин для
дальнейшего освоения дисциплин в соответствии с профилем подготовки (ПК-4);
способность применять теорию и методы математики для построения качественных и количественных моделей (ПК-8);
способность работать в коллективе исполнителей над решением конкретных
исследовательских и инновационных задач (ПК-9).
В результате освоения дисциплины обучающиеся должны
знать:
- основные подходы к формализации работы современных беспроводных сетей, их проток
лов и компонент;
- основные понятия и утверждения теории оценки производительности беспроводных сетей;
- базовые математические модели современных беспроводных сетей, их протоколов и компонент;
уметь:
- строить математические модели функционирования беспроводных сетей, учитывающие
особенности современных протоколов уровня доступа к среде и протоколов сетевого уровня;
- применять математический аппарат различных разделов теории вероятностей и
математического анализа для построения математических моделей беспроводных сетей и их
эффективного решения;
владеть:
- навыком освоения большого объема информации;
- навыками постановки научно-исследовательских задач и аналитического моделирования
процессов и явлений в области широкополосных беспроводных сетей.
4. Содержание дисциплины (модуля), структурированное по темам (разделам) с указанием отведенного на них количества академических часов и видов учебных занятий
4.1. Разделы дисциплины (модуля) и трудоемкости по видам учебных занятий
№
Тема (раздел) дисциплины
1 Вводная лекция
2 Модели сети IEEE 802.11
3 Моделирование
4 Mesh-сети
Итого часов
Общая трудоёмкость
Виды учебных занятий, включая самостоятельную работу
Практич.
Задания,
Лаборат.
Самост.
Лекции
(семинар.)
курсовые
работы
работа
занятия
работы
2
10
1
12
2
10
2
34
5
39 час., 1 зач.ед.
4.2. Содержание дисциплины (модуля), структурированное по темам (разделам)
Семестр: 8 (Весенний)
1. Вводная лекция.
Вводная лекция: понятие модели, цели моделирования беспроводных сетей, виды моделей,
3
простые примеры моделей и способы их решения.
2. Модели сети IEEE 802.11.
Модели сети IEEE 802.11 c идеальным каналом. Формулы расчета показателей производительности сети IEEE 802.11 с идеальным каналом при известной вероятности передачи (базовый метод доступа и механизм RTS/CTS). Учет вида распределения длин пакетов. Оценка
вероятности передачи станции в сети IEEE 802.11 с помощью цепи Маркова (модель Бьянки)
и распределения числа попыток.
Модель сети IEEE 802.11 с централизованным управлением: режим PCF.
Оценка производительности локальных беспроводных сетей с протоколом IEEE 802.11 в
условиях помех.
3. Моделирование.
Моделирование схемы дифференцированного обслуживания (EDCA) в сетях IEEE 802.11.
Расчет показателей производительности и оценка вероятностей коллизий для разных категорий доступа.
Моделирование механизмов запроса полосы в городских сетях IEEE 802.16. Оценка вероятности коллизии запросов и среднего времени регистрации пакета на базовой станции.
Моделирование и оптимизация надежной многоадресной передачи в широкополосных беспроводных сетях IEEE 802.11 и 802.16.
Моделирование механизмов синхронизации в одношаговых и многошаговых сетях WiMedia.
4. Mesh-сети.
Математическая модель механизма управления соединениями в многошаговых сетях с протоколом IEEE 802.11.
Протокольная модель интерференции прямых соединений в сетях с протоколом IEEE 802.11
– 5 случаев. Эффект от использования разных межкадровых интервалов. Синхронная и асинхронная работа станций. Преодоление коллизий. Работа в отсутствии виртуального механизма контроля несущей.
Математическая модель передачи мультимедийного трафика методом детерминированного
доступа.
5. Описание материально-технической базы, необходимой для осуществления образовательного процесса по дисциплине (модулю)
Учебная аудитория, оснащенная мультимедийным оборудованием (проектор или плазменная
панель), доской, ноутбук.
6. Перечень основной и дополнительной литературы, необходимой для освоения дисциплины
(модуля)
Основная литература
1. Bianchi G. Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function // IEEE
Journal on Selected Areas in Communications. 2000. Vol. 18. P. 535-548.
2. Вишневский В.M., Ляхов А.И., Якимов М.Ю. Оптимизация работы высокоскоростной беспроводной сети в условиях помех // Электросвязь, 2007. N 8. С. 16-19.
3. Vishnevsky V.M., Lyakhov A.I., Safonov A.A., Mo S.S., Gelman A.D. Study of Beaconing in
Multi-Hop Wireless PAN with Distributed Control // IEEE Transactions on Mobile Computing,
2008. Vol. 7. N 1. Р. 113-126.
4
4. Ляхов А.И., Лукин Д.В. Аналитическая модель передачи данных в сети IEEE 802.16 // Автоматика и телемеханика, 2009. N 11. С. 87-100.
5. Lyakhov A., Yakimov M. Analytical Study of QoS Oriented Multicast in Wireless Networks //
EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. 2011. V. 11. Article ID 307507.
6. Shvets E., Lyakhov A., Safonov A., Khorov E. Analytical model of IEEE 802.11s MCCA based
streaming in the presence of noise // ACM SIGMETRICS Performance Evaluation Review. 2011. V.
39. N 2. P. 38-40.
7. Ляхов А.И., Пустогаров И.А., Гудилов А.С. Проблема неравномерного распределения пропускной способности канала в сетях IEEE 802.11 // Информационные процессы, 2008. Т. 8. №
8. C. 149-167. См. также: A. Lyakhov, I. Pustogarov and A. Gudilov. Direct links in IEEE 802.11:
Analytical study of unfairness problem // Automation & Remote Control, 2008. Vol. 69. N 9. Р.
1630-1645.
8. Dongxia Xu, Taka Sakurai, and Hai L. Vu. An access delay model for IEEE 802.11e EDCA //
IEEE Transactions on Mobile Computing, 2009. Vol.8. Р. 261-275.
9. Кирьянов А.Г., Ляхов А.И., Сафонов А.А., Хоров Е.М. Метод оценки эффективности механизмов управления соединениями в беспроводных самоорганизующихся сетях // Автоматика
и телемеханика. 2012. N 5. С. 39–56.
7. Перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы обучающихся по
дисциплине (модулю)
1. Вишневский В.M., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.Л. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. М.: Техносфера, 2005.
8. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», необходимых
для освоения дисциплины (модуля)
9. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень программного обеспечения и информационных справочных систем (при необходимости)
На лекционных занятиях используются мультимедийные технологии, включая демонстрацию
презентаций.
10. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины
Студент, изучающий дисциплину, должен, с одной стороны, овладеть общими понятийным
аппаратом, а с другой стороны, должен научиться применять теоретические знания на практике.
В результате изучения дисциплины студент должен знать основные определения, понятия,
подходы к формализации работы беспроводных сетей, базовые математические модели.
Успешное освоение курса требует напряженной самостоятельной работы студента. В программе курса отведено минимально необходимое время для работы студента над темой. Самостоятельная работа включает в себя:
- чтение и конспектирование рекомендованной литературы;
- проработку учебного материала (по конспектам занятий, учебной и научной литературе),
подготовку ответов на вопросы, предназначенные для самостоятельного изучения, решение
задач;
- подготовка к дифференцированному зачёту.
Руководство и контроль за самостоятельной работой студента осуществляется в форме индивидуальных консультаций.
5
Важно добиться понимания изучаемого материала, а не механического его запоминания. При
затруднении изучения отдельных тем, вопросов следует обращаться за консультациями к лектору.
11. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации по итогам обучения
Приложение.
6
ПРИЛОЖЕНИЕ
ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ОБУЧАЮЩИХСЯ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«Математические методы оценки производительности беспроводных сетей»
1. Перечень типовых контрольных заданий, используемых для оценки знаний, умений, навыков
Перечень контрольных вопросов к дифференцированному зачёту:
1. Понятие модели, цели моделирования беспроводных сетей, примеры моделей.
2. Формулы расчета показателей производительности сети IEEE 802.11 с идеальным каналом при
известной вероятности передачи (базовый метод доступа и механизм RTS/CTS). Учет вида распределения длин пакетов.
3. Оценка вероятности передачи станции в сети IEEE 802.11 с помощью цепи Маркова (модель
Бьянки) и распределения числа попыток.
4. Оценка производительности локальных беспроводных сетей с протоколом IEEE 802.11 в условиях
помех.
5. Оценка вероятностей коллизий для разных категорий доступа в сетях IEEE 802.11 с дифференцированным качеством обслуживания.
6. Расчет показателей производительности при известных вероятностях коллизий в сетях IEEE
802.11 с дифференцированным качеством обслуживания.
7. Модели сети IEEE 802.11 с централизованным управлением: режим PCF.
8. Моделирование механизмов запроса полосы в городских сетях IEEE 802.16: оценка вероятности
коллизии запросов.
9. Моделирование механизмов запроса полосы в городских сетях IEEE 802.16: оценка среднего времени регистрации пакета при известной вероятности коллизии запросов.
10. Моделирование механизма передачи биконов в сетях WiMedia.
11. Протокольная модель интерференции прямых соединений в сети 802.11. Случай: A передает B, С
передает D; все в зоне устойчивого приема друг друга, кроме A и D, которые в зоне интерференции
друг друга.
12. Протокольная модель интерференции прямых соединений в сети 802.11. Случай: A передает B, С
передает D; все в зоне устойчивого приема друг друга, кроме A и D, которые не слышат друг друга.
13. Протокольная модель интерференции прямых соединений в сети 802.11. Случай: A передает B, С
передает D; A и D не слышат друг друга, A и C и B и D в зоне интерференции друг друга; B и C в
зоне устойчивого приема друг друга.
14. Протокольная модель интерференции прямых соединений в сети 802.11. Случай: A передает B, С
передает D; A и D не слышат друг друга, A и C не слышат друг друга, B и D не слышат друг друга, B
и C в зоне устойчивого приема друг друга.
15. Протокольная модель интерференции прямых соединений в сети 802.11. Случай: A передает B, С
передает D; A и D не слышат друг друга, A и C не слышат друг друга, B и D не слышат друг друга, B
и C в зоне интерференции друг друга.
16. Математическая модель механизма управления соединениями в многошаговых сетях с протоколом IEEE 802.11.
17. Математическая модель передачи мультимедийного трафика методом детерминированного доступа.
7
18. Моделирование многоадресной передачи в широкополосных беспроводных сетях IEEE 802.11 и
802.16.
2. Критерии оценивания
Оценка
Баллы
10
отлично
9
8
7
хорошо
6
5
4
удовлетворительно
3
неудовлетворительно
2
Критерии
Выставляется студенту, показавшему всесторонние, систематизированные, глубокие знания учебной программы дисциплины, проявляющему интерес к данной предметной области,
продемонстрировавшему умение уверенно и творчески применять их на практике при решении конкретных задач, свободное и
правильное обоснование принятых решений.
Выставляется студенту, показавшему всесторонние, систематизированные, глубокие знания учебной программы дисциплины и умение уверенно применять их на практике при решении конкретных задач, свободное и правильное обоснование
принятых решений.
Выставляется студенту, показавшему систематизированные, глубокие знания учебной программы дисциплины и умение
уверенно применять их на практике при решении конкретных
задач, правильное обоснование принятых решений, с некоторыми недочетами.
Выставляется студенту, если он твердо знает материал,
грамотно и по существу излагает его, умеет применять полученные знания на практике, но недостаточно грамотно обосновывает полученные результаты.
Выставляется студенту, если он твердо знает материал,
грамотно и по существу излагает его, умеет применять полученные знания на практике, но допускает в ответе или в решении
задач некоторые неточности.
Выставляется студенту, если он в основном знает материал,
грамотно и по существу излагает его, умеет применять полученные знания на практике, но допускает в ответе или в решении
задач достаточно большое количество неточностей.
Выставляется студенту, показавшему фрагментарный, разрозненный характер знаний, недостаточно правильные формулировки базовых понятий, нарушения логической последовательности в изложении программного материала, но при этом он
освоил основные разделы учебной программы, необходимые для
дальнейшего обучения, и может применять полученные знания
по образцу в стандартной ситуации.
Выставляется студенту, показавшему фрагментарный, разрозненный характер знаний, допускающему ошибки в формулировках базовых понятий, нарушения логической последовательности в изложении программного материала, слабо владеет основными разделами учебной программы, необходимыми для
дальнейшего обучения и с трудом применяет полученные знания
даже в стандартной ситуации.
Выставляется студенту, который не знает большей части
основного содержания учебной программы дисциплины, допускает грубые ошибки в формулировках основных принципов и не
умеет использовать полученные знания при решении типовых
8
1
задач.
Выставляется студенту, который не знает основного содержания учебной программы дисциплины, допускает грубейшие
ошибки в формулировках базовых понятий дисциплины и вообще не имеет навыков решения типовых практических задач.
3. Методические материалы, определяющие процедуры оценивания знаний, умений, навыков
и (или) опыта деятельности
Дифференцированный зачёт проводится в устной форме.
При проведении устного дифференцированного зачёта обучающемуся предоставляется 30 минут на
подготовку.
Во время проведения дифференцированного зачёта обучающиеся могут пользоваться программой
дисциплины, а также справочной литературой, вычислительной техникой и проч.
9