Способ управления доступом к беспроводному каналу

Изобретение относится к сетям радиосвязи. Технический результат заключается в уменьшении времени передачи пользовательской информации в беспроводной сети. Способ управления доступом к беспроводному каналу включает: обеспечение уровнем MAC распределенного режима DCF и централизованного режима PCF доступа к разделяемой среде; передачу всей информации кадрами, состоящими из интервалов управляемого и конкурентного доступа; реализацию на интервале управляемого доступа режима доступа PCF, используемого при передаче чувствительной к задержкам информации; выполнение базовой станцией процедуры опроса, в процессе которого определяются станции, имеющие заявки на передачу информации, чувствительной к задержкам, и поочередное предоставление им необходимого для этого временного ресурса в виде специального кадра, при этом в процессе процедуры опроса базовая станция также определяет станции, имеющие заявки на передачу информации, нечувствительной к задержкам, и предоставляет части таких станций доступ к беспроводному каналу в режиме PCF, а остальные станции передают информацию, нечувствительную к задержкам в режиме DCF. 5 ил.

 

Изобретение относится к сетям радиосвязи и может быть использовано для уменьшения времени передачи пользовательской информации.

Известен способ управления доступом к беспроводному каналу TDMA от узлов (RN) (relay node), развернутых как сеть с линейной или древовидной топологией, для передач с множеством ретрансляционных участков восходящей линии связи от запрашивающего узла к централизованному узлу (BS) (base station) и/или в нисходящей линии связи от централизованного узла (BS) в направлении конечного узла (RN) [заявка РФ 2008103829, МПК H04L 12/28, H04W 72/00, от 29.06.2006]. В данном способе управления доступом канал TDMA разделяют на кадры, каждый кадр разделяют на подкадр управления и подкадр, предназначенный для передачи данных, каждый подкадр, предназначенный для передачи данных, разделен на две непрерывные части, первая из которых предназначена для трафика нисходящей линии связи, а вторая предназначена для трафика восходящей линии связи, в пределах части трафика нисходящей линии связи узел (BS, RN), более близкий к централизованному узлу (BS), обслуживают перед узлом, более удаленным, а в пределах части трафика восходящей линии связи принимают обратный порядок передачи.

Недостатком описанного способа является передача всей пользовательской информации через (BS), что делает сеть чувствительной к выходу из строя (BS). Описанный способ также не предусматривает работу в режиме конкурентного доступа, что ограничивает возможности по адаптации к изменяющейся интенсивности входного потока заявок.

Известен способ управления доступом к беспроводному каналу связи [заявка РФ 2008146852, МПК H04W 74/04 от 01.05.2007]. В данном способе базовая станция содержит планировщик, выполненный с возможностью осуществления планирования с фиксированным предоставлением ресурсов для передачи данных в заданные временные интервалы, и блок формирования информации планирования, выполненный с возможностью формирования информации планирования, а также с возможностью передачи информации планирования заданной мобильной станции при осуществлении планирования с фиксированным предоставлением ресурсов, при этом информация планирования включает в себя информацию предоставления ресурсов, которая указывает радиоресурс, предоставляемый заданной мобильной станции в заданные временные интервалы при планировании с фиксированным предоставлением ресурсов.

Недостатком такого способа управления доступом к беспроводному каналу связи является невозможность адаптации сети к меняющейся интенсивности входного потока заявок от пользователей сети, концентрация функций управления распределением радиоресурса в базовой станции делает сеть чувствительной к выходу из строя базовой станции.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ управления доступом к среде согласно стандарту 802.11 [Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации // М.: Техносфера, 2005 - 592 с. (стр.446-452)]. В данном способе уровень MAC (Media Access Control) обеспечивает распределенный режим DCF (Distributed coordination function) и централизованный режим PCF (Point coordination function) доступа к разделяемой среде; вся информация передается кадрами, состоящими из интервалов управляемого и конкурентного доступа; на интервале управляемого доступа реализуется режим доступа PCF, который используется при передаче чувствительной к задержкам информации; БС (базовая станция) выполняет процедуру опроса, в процессе которой определяет станции, имеющие заявки на передачу информации, чувствительной к задержкам, и поочередно предоставляет им необходимый для этого временной ресурс в виде специального кадра, после получения которого станция, направившая заявку на передачу информации, чувствительной к задержкам, отвечает другим кадром, в котором подтверждает прием специального кадра и одновременно передает данные, при этом нечувствительная к задержкам информация передается на интервале конкурентного доступа.

Недостатком данного способа является невозможность адаптироваться к изменениям трафика.

Для того чтобы какая-то доля ресурса всегда оставалась для передачи информации, нечувствительной к задержкам, длительность интервала управляемого доступа ограничена. После его окончания начинается интервал конкурентного доступа. Если интенсивность заявок на передачу информации, чувствительной к задержкам, мала, то большая часть ресурса оказывается выделенной для конкурентного доступа, что приводит к возникновению коллизий и, как следствие, увеличению времени ожидания.

Задача настоящего изобретения состоит в исключении коллизий за счет управляемого распределения ресурса, выделенного для использования на конкурентной основе при имеющейся интенсивности заявок.

Технический результат изобретения заключается в уменьшении времени передачи пользовательской информации в беспроводной сети.

Технический результат достигается тем, что в способе управления доступом к беспроводному каналу, включающем обеспечение уровнем MAC распределенного режима DCF и централизованного режима PCF доступа к разделяемой среде; передачу всей информации кадрами, состоящими из интервалов управляемого и конкурентного доступа; реализацию на интервале управляемого доступа режима доступа PCF, используемого при передаче чувствительной к задержкам информации; выполнение базовой станцией процедуры опроса, в процессе которой определяются станции, имеющие заявки на передачу информации, чувствительной к задержкам, и поочередное предоставление таким станциям необходимого для этого временного ресурса в виде специального кадра, после получения которого станция, направившая заявку на передачу информации, чувствительной к задержкам, отвечает другим кадром, в котором подтверждает прием специального кадра и одновременно передает данные, согласно изобретению в процессе процедуры опроса базовая станция также определяет станции, имеющие заявки на передачу информации, нечувствительной к задержкам, и предоставляет части таких станций доступ к беспроводному каналу в режиме PCF, а остальные станции передают информацию, нечувствительную к задержкам в режиме DCF.

Предложенный способ позволяет адаптировать сеть к меняющейся интенсивности входного потока заявок посредством динамического управления долями управляемого и конкурентного доступа в кадре. Для этого на основе имеющихся заявок от станций определяется оптимальное, с точки зрения минимизации времени передачи пользовательской информации, соотношение длительности и распределение нагрузки между интервалами управляемого и конкурентного доступа. На основе рассчитанных значений длительности и нагрузки в интервалах управляемого и конкурентного доступа в режиме PCF передается часть информации, нечувствительной к задержкам.

На фиг.1 представлены циклы работы сети в режимах с концентрированным (PCF) и распределенным (DCF) управлением.

На фиг.2 схематически изображен кадр, сочетающий интервалы управляемого и конкурентного доступа.

На фиг.3 представлена зависимость времени передачи информации от соотношения между интервалами управляемого и конкурентного доступа в кадре при значениях λ≤1.

На фиг.4 представлена зависимость времени передачи информации от соотношения между интервалами управляемого и конкурентного доступа в кадре при значениях λ>1.

На фиг.5 представлена схема алгоритма работы способа управления доступом к беспроводному каналу.

Предлагаемый способ доступа к беспроводному каналу осуществляется следующим образом. АС (абонентские станции) передают заявки на выделение ресурса (частотного, временного) на БС. БС анализирует запросы, содержащие тип и приоритет трафика, затем выделяет временные интервалы в интервале управляемого доступа для передачи информации, чувствительной к задержкам, и для передачи данных с высоким приоритетом. Используя информацию об уже имеющейся занятости интервала управляемого доступа и информацию об интенсивности заявок от каждой АС, БС вычисляет оптимальное, с точки зрения минимизации времени передачи пользовательской информации, соотношение длительности и распределение нагрузки между интервалами управляемого и конкурентного доступа (фиг.2) и предоставляет пользователям право на использование среды.

Для определения оптимального, с точки зрения минимизации времени передачи пользовательской информации, соотношения между интервалами управляемого и конкурентного доступа на основе поступивших заявок последовательно оценивается время передачи пользовательской информации при соотношении между интервалами управляемого и конкурентного доступа 1:20, затем 2:20, 3:20 и так далее с шагом 5% от размера кадра. На основе полученной информации определяется оптимальное соотношение между интервалами управляемого и конкурентного доступа, которое корректируется с учетом требования передачи чувствительной к задержкам информации на интервале управляемого доступа путем резервирования части интервала управляемого доступа для передачи информации, чувствительной к задержкам.

Время передачи пользовательской информации может быть вычислено на основе методов теории систем массового обслуживания (Сидоров Ю.В., Сухоруков М.Ю., Сухоруков Ю.С. Модели и анализ сетей радиосвязи // ОАО «Концерн «Созвездие», Воронеж, 2008 - 147 с. (стр.93-97)).

Для вычисления времени передачи пользовательской информации в качестве исходных данных задаются:

- объем передаваемой информации;

- число каналов;

- число ретрансляторов;

- число абонентов;

- интенсивность входного потока заявок от абонента;

- канальная скорость;

- длительность кадра.

Примем, что длительность всех сигнальных сообщений (сигнал вызова Т_в, ответный сигнал Т_ос, сигнал на начало передачи Т_нп) одинакова и равна Т_с.

Т_в=Т_ос=Т_нп=Т_с

Одинаково также время обработки сигналов в узлах.

Тогда время передачи сообщения Т_и равно:

Т_и=3Т_с+Т_сс+3Е(Т_об)+Е(Т_ож),

где Т_сс - время сообщения о соединении, Е(Т_об) - время обработки в узле А, Е(Т_ож) - время ожидания, причем все параметры, кроме Е(Т_ож), являются технически определенными.

При расчете параметра Е(Т_ож) используется N-линейная модель поступления и обслуживания вызовов типа M/M/N, где N - число линий. Данная модель является моделью массового обслуживания с интенсивностью обслуживания, зависящей от состояния системы n:

µ_n=nµ при n<N;

µ_n=Nµ при n≥N,

где µ - интенсивность обслуживания.

Уравнение стационарного распределения вероятностей состояния имеет вид

$$P_n=\frac{{\lambda }_{n-1}}{{\mu }_n}{P}_{n-1}$$

Параметр относительной нагрузки на канал ρ_N выражается отношением λ/µN, где λ - интенсивность входного потока.

Параметр P₀ находится из условия нормировки:

$${\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{P}_{{}_n}=1}$$

При n<N и n>N получим в результате соответствующих преобразований

$$P_0={\left[{\displaystyle \sum _{n=0}^{N-1}\frac{{\left(N{\rho }_N\right)}^n}{n!}}+\frac{1}{1-{\rho }_N}\frac{{\left(N{\rho }_N\right)}^N}{N!}\right]}^{-1}$$

В данной формуле $$\frac{1}{1-{\rho }_N}>0$$ , соответственно $$\frac{\lambda }{\mu N}<1$$ . Из неравенства видно, что отношение интенсивности входного потока к интенсивности обслуживания должно быть меньше числа линий

$$\frac{\lambda }{\mu }<N$$

Время ожидания Е(Т_ож) целесообразно определить через промежуточный параметр - вероятность задержки, которая численно равна вероятности того, что в системе находится не менее N вызовов, и выражается формулой Эрланга второго рода:

$${Р}_{зд}={\displaystyle \sum _{n=N}^{\infty }{P}_n=\frac{{\left({\rho }_{N}N\right)}^N}{\left(1-{\rho }_N\right)N!}=\frac{N^N{\left({\rho }_N\right)}^N}{N!1-{\rho }_N}{P}_0}$$

тогда $$Е\left({Т}_{ож}\right)=\frac{1}{\mu }\frac{{Е}_{2,N}\left(A\right)}{N-A}$$ ,

где A - общая нагрузка в Эрлангах на канал, E_2,N(A) - функция Эрланга второго рода (Р_зд=E_2,N(A)).

В формуле для Е(Т_ож) неизвестным является параметр µ -интенсивность обслуживания. При коммутации пакетов параметр µ определяется длительностью пакетов, при коммутации каналов и использовании линий речевого канала для передачи управляющих сигналов - общим временем занятия линии (Т_зн) для передачи сообщения и сигналов установления соединения.

$$\frac{1}{\mu }={Т}_{зн}$$

Учитывая то, что передача различных сигнальных сообщений не занимает много времени, время занятия канала будет определяться в основном длительностью передачи информационного сообщения.

Соответственно, формула для времени передачи информации будет иметь вид

$${Т}_{и}=3{Т}_{с}+{Т}_{сс}+3Е\left({Т}_{об}\right)+{Т}_{зн}\frac{{Е}_{2,N}\left(A\right)}{N-A}$$ .

Полученная формула верна для сетей с коммутацией каналов. При оценке сети, использующей предложенный способ управления доступом к беспроводному каналу, необходимо также учитывать обмен сообщениями запроса и ответа на выделение ресурса между базовой и абонентской станциями (Т_бс). Для передачи служебных сообщений выделяется отдельный канал с конкурентным доступом к среде, что позволяет реализовать функцию самоорганизации сети. При оценке задержек необходимо использовать формулы для пакетных сетей.

$$T_{бс}=Е\left({Т}_{об}\right)+{Т}_{з}+{Т}_{о}$$ ,

где Т_з - время передачи запроса от абонента на выделение ресурса, Т_о - время передачи ответного сообщения базовой станцией.

В результате конечная формула для оценки времени передачи информации в сети, использующей предложенный способ управления доступом к беспроводному каналу, будет иметь следующий вид:

$${Т}_{и}=3{Т}_{с}+{Т}_{сс}+3Е\left({Т}_{об}\right)+{Т}_{зн}\frac{{Е}_{2,N}\left(A\right)}{N-A}+{Т}_{бс}$$

Из приведенных на фиг.3 и 4 графиков зависимости времени передачи информации от соотношения между интервалами управляемого и

конкурентного доступа в кадре, построенных на основе расчета времени передачи информации по формулам, описанным выше, видно, что при значениях интенсивности входного потока заявок λ>1 совместное использование в кадре режимов управляемого и конкурентного доступа позволяет минимизировать время передачи пользовательской информации. При меньших значениях параметра λ построение сети на основе совместного доступа неэффективно, поэтому целесообразно использовать весь кадр данных под управлением базовой станции или в децентрализованном режиме.

Предложенный способ управления доступом к беспроводному каналу позволяет определить для каждого значения λ минимальное значение времени передачи пользовательской информации и выбрать соотношение между интервалами управляемого и конкурентного доступа, при которых это минимальное значение времени передачи пользовательской информации может быть достигнуто. Таким образом, предложенный способ доступа к беспроводному каналу позволяет уменьшить время передачи пользовательской информации и адаптировать сеть к меняющейся интенсивности входного потока заявок за счет адаптивного изменения порога между интервалами управляемого и конкурентного доступа.

Способ управления доступом к беспроводному каналу, включающий: обеспечение уровнем MAC распределенного режима DCF и централизованного режима PCF доступа к разделяемой среде; передачу всей информации кадрами, состоящими из интервалов управляемого и конкурентного доступа; реализацию на интервале управляемого доступа режима доступа PCF, используемого при передаче чувствительной к задержкам информации; выполнение базовой станцией процедуры опроса, в процессе которой определяются станции, имеющие заявки на передачу чувствительной к задержкам информации, и поочередное предоставление таким станциям необходимого для этого временного ресурса в виде специального кадра, после получения которого станция, направившая заявку на передачу информации, чувствительной к задержкам, отвечает другим кадром, в котором подтверждает прием специального кадра и одновременно передает данные, отличающийся тем, что в процессе процедуры опроса базовая станция также определяет станции, имеющие заявки на передачу информации, нечувствительной к задержкам, и предоставляет части таких станций доступ к беспроводному каналу в централизованном режиме PCF, а остальные станции передают информацию, нечувствительную к задержкам в распределенном режиме DCF.