Дослідження ефективності проектування і функціонування мереж стандарту IEEE 802.11
Автор: Смук Назар Омелянович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Інформаційні мережі зв'язку
Інститут: Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2020-2021 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: На даний момент мережі IEEE 802.11 мають найширше застосування в корпоративному секторі, в публічних мережах операторів зв’язку і різних персональних пристроях домашнього застосування, вирішуючи широкий спектр завдань по передачі даних - від забезпечення роботи бізнес-критичних додатків до індустрії розваг [1-3]. При цьому в світлі очікуваного переходу до мереж п’ятого покоління (5G), в галузі є сильні тенденції щодо інтеграції різних технологій доступу з мережами LAN. Таким чином, актуальними є проблеми забезпечення вирішення проектних завдань відповідними розрахунковими і аналітичними методами. Відзначимо, що стандарт не регламентує всі можливі алгоритми, залишаючи їх на розсуд конкретних програмно-апаратних реалізацій виробниками. Актуальними в даний момент доповненнями стандарту є, в залежності від використовуваного частотного діапазону, - IEEE 802.11n і IEEE 802.11ac. У 2020 році очікується прийняття новітнього доповнення IEEE 802.11ax. У роботах багатьох вчених були розглянуті ряд завдань моделювання як окремих комірок, так і мереж стандарту IEEE 802.11 в цілому [4,5]. Були проаналізовані, зокрема, питання побудови гетерогенних мереж, питання забезпечення якості обслуговування в безпровідних локальних мережах (БЛМ), розглянута робота мереж з позиції теорії масового обслуговування. Проте питанням розробки розрахункових методів для вирішення задач проектування БЛМ, до теперішнього часу уваги не було приділено достатньо уваги. У зв’язку з вищесказаним, підвищення ефективності проектування та функціонування мереж стандарту IEEE 802.11 є актуальним науковим завданням. У роботі здійснено огляд стану і перспектив розвитку безпровідних мереж стандарту IEEE 802.11. Описано основні переваги використання мереж стандарту IEEE 802.11 та представлено особливості різних його доповнень . На основі аналізу розглянутих доповнень стандарту IEEE 802.11, визначено , що найбільш популярними у використанні є мережі IEEE 802.11n і 802.11ac, відповідно саме вони будуть далі розглядатись в магістерській кваліфікаційній роботі. У другому розділі здійснено аналіз проблем проектування мереж стандарту IEEE 802.11. При проектуванні безпровідних мереж зазвичай виділяють два підходи до організації радіопокриття - з метою забезпечення базового покриття або цільової клієнтської ємності. Одним з основних етапів розробки і впровадження мереж цього виду є радіо моделювання, основні критерії якого було розглянуто у даному розділі. Облік впливу різних видів перешкод - найважливіший рушійний фактор при проектуванні безпровідних мереж. Результати аналізу основних методів, що забезпечують функціонування безпровідної мережі в умовах перешкод, показали, що для забезпечення ефективності планування мережі високої щільності, поряд з частотно-територіальним плануванням, необхідно враховувати, як міжканальні перешкоди, так і природу трафіку. Третій розділ присвячено розробці моделі каналу для оцінки ефективності мереж стандарту IEEE 802.11 n/ac. Серед вихідних даних, необхідних для вирішення задачі планування і обслуговування мережі, особливе місце займають характеристики користувальницького трафіку. Стандарт IEEE 802.11 передбачає наявність механізму адаптації параметрів передачі (модуляції і кодування даних) в залежності від конкретних умов. При цьому відбувається вибір відповідної схеми модуляції і кодування -MCS. З точки зору використання часового ресурсу каналу передачі, величиною, що характеризує MCS, є число біт корисних даних в розрахунку на один символ - NDBPS. Наведено характеристики схем модуляції і кодування. прийнятих в IEEE 802.11n і IEEE 802.11ac . Оскільки час зайнятості канального ресурсу передачею корисних даних, як функція від режиму роботи визначається тривалістю передачі кадру з даними відповідного розміру, а метою побудови моделі вибрано саме оцінку тривалості передачі кадру з даними, то було визначено тривалість передачі корисної інформації як формулу, що пов’язує тривалість передачі кадру з його розміром і значенням відношення сигнал/шум. Для характеристики отриманої моделі, побудовано залежності помилки апроксимації тривалості передачі для різних розмірів кадру .Аналіз отриманих результатів показав, що відносна похибка у всьому діапазоні довжин кадрів не перевищує 7,7 %, внаслідок цього результуюча модель може бути використана при розробці теоретичних і імітаційних моделей, коли необхідно забезпечити адекватне моделювання в широкому діапазоні значень відношення сигнал/шум. Таким чином, у цьому розділі розроблено модель каналу IEEE 802.11n / ah, метою якої є оцінка тривалості передачі кадру з даними як функція від поточних умов роботи і параметрів переданого трафіку. У четвертому розділі здійснено розробку методу оптимізації числа кадрів в блоці A-MSDU для мережі стандарту IEEE 802.11ac. Описано механізм агрегування кадрів A-MSDU, який використовується у мережах 802.11n і 802.11ac. Для побудови моделі режиму агрегування A-MSDU в залежності від умов роботи каналу передачі здійснено ряд математичних операцій: визначено ефективність використання радіоканалу в ідеальних умовах , загальну пропускну здатність, ефективність використання каналу для випадку наявності помилок Після ряду математичних операцій представлено аналітичний вираз для оптимального числа кадрів при агрегуванні A-MSDU в заданих умовах роботи. Таким чином, отримано метод розрахунку оптимального числа кадрів в блоці A-MSDU для відомого виду трафіку в заданих умовах роботи каналу. Показано, що використання даного методу дозволяє підвищити ефективність використання каналу стандарту IEEE 802.11ac. Об’єкт дослідження – безпровідні локальні мережі стандарту IEEE 802.11. Предмет дослідження – моделі і методи організації мереж стандарту IEEE 802.11. Метою магістерської кваліфікаційної роботи є підвищення ефективності планування та функціонування мереж стандарту IEEE 802.11 за рахунок розробки моделі оцінки пропускної здатності і методу оптимізації використання канального ресурсу . Методи дослідження. У процесі виконання роботи використовувалися загальні методи теорії ймовірностей і математичної статистики, математичного аналізу, імітаційного моделювання. Ключові слова: IEEE 802.11, MCS, імовірність бітової помилки, відношення сигнал-шум. Література 1. Hu, Z., Beshley, M., Vitalii, V., Jun, S., & Volodymyr, T.( 2020). Modified EIRGP Routing Protocol for Backbone Infrastructure of Wireless Multimedia Sensor Network. 15th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET), 894-899. doi: 10.1109/TCSET49122.2020.235566. 2. Kahalo, I., Beshley, H., Beshley, M., & Panchenko, O. (2019). Enhancing QoS and energy efficiency of LTE/LTE-U/Wi-Fi integrated network based on adaptive technique for radio structure formation. 2019 IEEE 2nd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering, UKRCON. doi: 10.1109/UKRCON.2019.8879923. 3. Beshley, H., Klymash, M., Beshley, M., & Kahalo, I. (2019). Improving the efficiency of LTE spectral resources use by introducing the new of M2M/IoT multi-service gateway. 15th International Conference on the Experience of Designing and Application of CAD Systems. doi:10.1109/CADSM.2019.8779270. 4. Bak, R., Lavriv, O., & Koval, B. (2017). Load balancing based on multi-hop handover for wireless cellular networks. 2017 IEEE 1st Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering, UKRCON. doi: 10.1109/UKRCON.2017.8100420. 5. Klymash, Y., Kaidan, M., & Strykhalyuk, B. (2018). Modified routing algorithms for self-organized networks. 14th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering, TCSET. doi:10.1109/TCSET.2018.8336377.