Анализ методов повышения производительности в Ad-Hoc сетях

Дипломная работа

Анализ методов повышения производительности в Ad-Hoc сетях

Перечень условных обозначений Введение

1. Обзор технологий беспроводных сетей

1.1 Классификация технологий беспроводных сетей

1.2 Беспроводные персональные сети

1.3 Беспроводные глобальные сети

1.4 Беспроводные локальные сети

1.4.1 Режимы работы WLAN-сетей

2. Обзор существующих методов повышения производительности в Ad-Hoc сетях

2.1 Факторы, влияющие на производительность беспроводных сетей

2.2 Анализ методов повышения производительности в Ad-Hoc сетях

2.2.1 Технология MIMO

2.2.3 Методы повышения произвоидтельности в Ad-Hoc сетях на основе использования протоколов маршрутизации

2.2.4 Методы повышения производительности в Ad-Hoc сетях на основе использования интеллектуальных антенных решеток

3. Анализ методов повышения производительности в Ad-Hoc сетях

3.1 Анализ метода повышения производительности на основе технологии MIMO

3.2 Анализ метода повышения производительности на основе увеличения ширины полосы пропускания канала

3.3 Повышение производительности на основе использования протоколов маршрутизации Выводы Перечень ссылок ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ

Перечень условных обозначений

PDA — Персональный цифровой помощник WPAN — Беспроводная персональная сеть WLAN — Беспроводная локальная сеть WMAN — Беспроводная региональная сеть WWAN — Беспроводная глобальная сеть CDPD — Цифровая пакетная передача данных сетью мобильной связи OFDM — Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов WDS — Распределенная беспроводная система AP — Точка доступа MANET — Беспроводная децентрализованная самоорганизующаяся сеть, состоящая из мобильных устройств WMN — Беспроводная mesh-сеть WSN — Беспроводная сенсорная сеть VANET — Ad-Hoc сеть, которая используется для связи транспортных средств друг с другом. MIMO — Технология передачи данных с помощью N антенн и их приёма М антеннами SDM — Пространственное деление мультиплексирования АЦП — Аналого-цифровой преобразователь DSSS — Метод расширения спектра методом прямой последовательности FHSS — Технология передачи сигнала с быстрой псевдослучайной перестройкой частоты CCK — Комплементарное кодирование QAM — Квадратурно-амплитудная модуляция QoS — Качество обслуживания TCP — Проткол транспортного уровня модели OSI

Беспроводные сети позволяют людям связываться и получать доступ к приложениям и информации без использования проводных соединений. Это обеспечивает свободу передвижения и возможность использования приложений, находящихся в других частях дома, города или в отдаленном уголке мира. Существует множество разновидностей беспроводной связи, но важнейшей особенностью беспроводных сетей является то, что связь осуществляется между компьютерными устройствами. К ним относятся персональные цифровые помощники (personal digital assistance, PDA), ноутбуки, персональные компьютеры (ПК), серверы и принтеры. Обычно сотовые телефоны не относят к числу компьютерных устройств, однако новейшие телефоны и даже головные гарнитуры (наушники) уже обладают определенными вычислительными возможностями и сетевыми адаптерами. Все идет к тому, что скоро большинство электронных устройств будут обеспечивать возможность подключения к беспроводным сетям. Как и сети, основанные на использовании проводов или оптических волокон (optical fiber), беспроводные сети передают информацию между компьютерными устройствами. Эта информация может быть представлена в виде сообщений электронной почты, Web-страниц, записей базы данных, потокового видео или голосовых сообщений. В большинстве случаев беспроводные сети передают данные, такие как сообщения электронной почты и файлы, но по мере улучшения характеристик беспроводных сетей они способны передавать и видеосигналы, а также обеспечивать телефонную связь. Беспроводные сети в качестве средства передачи для обеспечения взаимодействия между пользователями, серверами и базами данных используют радиоволны или инфракрасный диапазон. Эта среда передачи невидима для человека. Кроме того, действительная среда передачи (воздух) прозрачна для пользователя. Это делает беспроводные устройства мобильными и удобными в применении.

1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ

1.1 Классификация технологий беспроводных сетей

Обычно беспроводные сети классифицируют по:? способу обработки первичной информации (на аналоговые и цифровые);? ширине полосы передачи (на узкополосные, широкополосные и сверхширокополосные);? виду передаваемой информации (на системы передачи речи, видеоинформации, и данных);? радиусу действия (на персональные, локальные, региональные (городские) и глобальные). К цифровым относят системы, у которых входная аналоговая информация (например, голос, аналоговый телевизионный сигнал и т. п.) преобразуется в цифровую (дискретную) форму. С технической точки зрения система называется широкополосной, если передаточная функция канала в этой полосе существенно изменяется в зависимости от частоты. С пользовательской точки зрения широкополосным доступом называют доступ к ресурсам с достаточной скоростью, причем эта скорость постоянно увеличивается. К мобильным системам связи относятся системы, в которых перемещение абонента в пространстве не значительно влияет на качество связи. Среди наиболее известных беспроводных технологий можно выделить: Wi-Fi, Wi-Max, Bluetooth, Wireless USB и ZigBee, которая изначально разрабатывалась с ориентацией на промышленные применения. В таблице 1.1 приведены типы, сфера действия и области применения беспроводных технологий.

Таблица 1.1? Разновидности беспроводных сетей

1.2 Беспроводные персональные сети

Персональная беспроводная сеть (Wireless Personal Area Network, WPAN)? это, как правило, домашние сети для беспроводного взаимодействия домашней аппаратуры. Радиус действия таких сетей порядка 10 м. Такими стандартизированными сетями в настоящее время являются Bluetooth, Zigbee, Wireless USB и др. Технология Bluetooth? производственная спецификация беспроводных персональных сетей. Она обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе от 1 до 10 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях Технология ZigBee? название набора сетевых протоколов верхнего уровня, использующих маленькие, маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEEE 802.15.4. ZigBee нацелена на приложения, которым требуется длительное время автономной работы от батарей и высокая безопасность передачи данных, при небольших скоростях передачи данных. Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Области применения данной технологии? это построение беспроводных сетей датчиков, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также при разработке бытовой электроники и персональных компьютеров. Wireless USB? это беспроводная технология, предназначенная для передачи данных на короткие расстояния (до 10 метров), с высокой пропускной способностью (до 480 Мбит/с) и низкой потребляемой мощностью. Wireless USB? это решение для беспроводной передачи высококачественного мультимедийного контента, например видео, между устройствами бытовой электроники и периферийными устройствами ПК. Одно из основных преимуществ технологии Wireless USB заключается в том, что она не создает помех для других беспроводных технологий, используемых в настоящее время, — таких как Wi-Fi, WiMAX и сотовой связи.

1.3 Беспроводные глобальные сети

Беспроводная сеть масштаба города (Wireless Metropolitan Area Network, WMAN) — это сети уровня районов крупного города, всего города или некоторого региона. Здесь могут быть объединены сети разного типа и назначения. Такие сети могут иметь радиус обслуживаня от нескольких сотен метров до 50 и более километров. Реализацией стандарта 802.16 является технология WiMax. Технология WiMax по своей архитектуре представляет прекрасную возможность обеспечивать беспроводной доступ всем пользователям цифрового оборудования, включая оборудование беспроводных сетей, технологии Wi-Fi, к глобальным сетям, являясь связующим звеном между локальными и глобальными сетями. Стандарт 802.16 позволяет обеспечить одновременно широкополосный доступ в Интернет и передачу данных, а также и услуги телефонии без использования кабельных линий. В отличие от других технологий радиодоступа, WiMax позволяет работать в условиях плотной городской застройки вне прямой видимости базовой станции. Это очень актуально для крупных мегаполисов, не нужно устанавливать специальные вышки, а достаточно установить базовую станцию на крышах зданий или высотных сооружений, что позволяет очень быстро развернуть такую сеть на большие расстояния. В общем виде WiMAX сети состоят из следующих основных частей: базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и с Интернетом. Для соединения базовой станции с абонентской используется высокочастотный диапазон радиоволн от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется обеспечения прямой видимости между базовой станцией и приёмником. WiMAX применяется как для решения проблемы «последней мили», так и для предоставления доступа в сеть офисным и районным сетям. Между базовыми станциями устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГЦ, скорость обмена данными может достигать 140 Мбит/c. При этом, по крайней мере одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием классических проводных соединений. Однако, чем большее число БС подключено к сетям провайдера, тем выше скорость передачи данных и надёжность сети в целом.

1.4 Беспроводные локальные сети

Беспроводная локальная сеть (Wireless Local Area Network, WLAN) — это сети локального уровня для обслуживания офиса или нескольких близкорасположенных помещений. Беспроводные локальные сети особенно целесообразны на предприятиях, где сотрудники активно перемещаются по территории во время рабочего дня с целью обслуживания клиентов или сбора информации (крупные склады, агентства, офисы продаж и др.) Благодаря функции роуминга между точками доступа пользователи могут перемещатmся по территории покрытия сети Wi-Fi без разрыва соединения. WLAN-сети имеют ряд преимуществ перед обычными кабельными сетями:? WLAN-сеть можно очень быстро развернуть, что очень удобно при проведении презентаций или в условиях работы вне офиса;? пользователи мобильных устрйоств, при подключении к локальным беспроводным сетям, могут легко перемещаться в рамках действующих зон сети;? скорости современных сетей довольно высоки (до 108 Мбит/с), что позволяет их использовать для решения очень широкого спектра задач;? WLAN-сеть может оказаться единственным выходом, если невозможна прокладка кабеля для обычной сети. Из всех существующих стандартов беспроводной передачи данных IEEE 802.11, на практике наиболее часто используются всего четыре, определенных Инженерным институтом электротехники и радиоэлектроники (IEEE), это: 802.11b, 802.11a, 802.11g и 802.11n. В стандарте 802.11b максимальная скорость пропускная способность составляет 11 Мбит/c. В беспроводных сетях, важным фактором является расстояние от передающего к принимающему устройству, потому как увеличение расстояния сказывается на качестве связи. Поэтому в 802.11b понижение скорости при ухудшении качества сигнала до 1Мбит/с, 2 Мбит/с или 5,5 Мбит/ с. Стадарт 802.11b ориентирован на работу в области частот 2,4 ГГц. На физическом уровне применяется комплементарное кодирование. Стандарт 802.11a в идеальных условиях может разивать скорость до 54 Мбит/c. В менее идеальных условиях устройства могут обеспечивать связь со скоростью 48 Мб/с, 36 Мб/с, 24 Мб/с, 18 Мб/с, 12 Мб/с и 6 Мб/с. Высокая пропускная способность обеспечивается, благодаря использованию в качестве метода модуляции мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM), которое позволяет передавать данные параллельно на множественных подчастотах. Это позволяет повысить устойчивость к помехам и поскольку отправляется более одного потока данных, реализуется высокая пропускная способность. В отличие от 802.11b, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями 802.11a предусмотрена работа в диапазоне 5ГГц. Стандарт 802.11a не совместим с 802.11b и 802.11g, но совместим с 802.11n. Стандарт IEEE 802.11g является логическим развитием 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне. Кроме того, стандарт 802.11g составляет 54 Мбит/с. По сути стандарт IEEE 802.11g представляет собой перенесение схемы модуляции OFDM, прекрасно зарекомендовавшей себя в 802.11a, из диапазона 5 ГГц в в область 2,4 при сохранении фукциональности устройств стандарта 802.11b. Стандарт 802.11g совместим с 802.11b и 802.11n. Стандарт 802.11n повышает скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 МБит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с применяя передачу данных сразу по четырем антеннам. По одной антенне, до 150 Мбит/с. Устройства 802.11n работают в диапазонах 2,4 или 5,0 ГГц. Это намного повышает гибкость их применения, позволяя отстраиваться от источников радиочастотных помех. Кроме того, устройства 802.11n могут работать в трёх режимах:? наследуемом (Legacy), в котором обеспечивается поддержка устройств 802.11b/g и 802.11a;? смешанном (Mixed), в котором поддерживаются устройства 802.11b/g/a/n;? «чистом» режиме? 802.11n (именно в этом режиме и можно воспользоваться преимуществами повышенной скорости и увеличенной дальностью передачи данных, обеспечиваемыми стандартом 802.11n). Устройства стандарта 802.11n могут работать в одном из двух диапазонов? 2,4 или 5 ГГц.

1.4.1 Режимы работы WLAN-сетей

Существует несколько режимов работы WLAN-сетей: ? Ad-Hoc mode («точка-точка»); ? Infrastucture mode (инфраструктурный режим); ? WDS mode (распределенная беспроводная система, режим моста); ? WDS with AP mode (распределенная беспроводная система с точкой доступа); ? Repeater mode (режим повторителя); ? Cleint mode (Режим клиента). В режиме Ad-Hoc клиенты устанавливают связь непосредственно друг с другом. Устанавливается одноранговое взаимодействие по типу «точка-точка», и компьютеры взаимодействуют напрямую без применения маршрутизаторов (Рис. 1.1).

Рис. 1.1 — Режим Ad-Hoc

При этом создается только одна зона обслуживания, не имеющая интерфейса для подключения к проводной локальной сети. В режиме Ad-Hoc скорость соединения не более 11 Мбит/с, независимо от используемого оборудования. Реальная скорость обмена данных будет ниже, и составит не более 11/N Мбит/с, где N — число устройств в сети.

Дальность связи составляет не более ста метров, а скорость передачи данных быстро падает с увеличением расстояния. В инфраструктурном режиме Wi-Fi маршрутизаторы обеспечивают связь клиентских компьютеров. Маршрутизатор можно рассматривать как беспроводный коммутатор. Клиентские станции не связываются непосредственно. Маршрутизатор имеет порты Ethernet, через которые базовая зона обслуживания подключается к проводной сети — к сетевой инфраструктуре (Рис. 1.2).

Рис. 1.2 — Инфраструктурный режим Термин WDS (Wireless Distribution System) расшифровывается как «распределённая беспроводная система». В этом режиме точки доступа соединяются только между собой, образуя мостовое соединение. При этом каждая точка может соединяться с несколькими другими точками. Все точки в этом режиме должны использовать одинаковый канал, поэтому количество точек, участвующих в образовании моста, не должно быть чрезмерно большим. Подключение клиентов осуществляется только по проводной сети через uplink-порты точек. Беспроводный мост может использоваться там, где прокладка кабеля между зданиями нежелательна или невозможна.

Данное решение позволяет достичь значительной экономии средств и обеспечивает простоту настройки и гибкость конфигурации при перемещении офисов. К точке доступа, работающей в режиме моста, подключение беспроводных клиентов невозможно. Беспроводная связь осуществляется только между парой точек, реализующих мост (Рис. 1.3).

Рис. 1.3 — Режим моста

Термин WDS with AP (WDS with Access Point) обозначает «распределённая беспроводная система, включая точку доступа», с помощью этого режима можно организовать не только мостовую связь между точками доступа, но и одновременно подключить клиентские компьютеры (Рис. 1.4). Это позволяет достичь существенной экономии оборудования и упростить топологию сети. Данная технология поддерживается большинством современных точек доступа.

Рис. 1.4 — Режим WDS with AP

В ситуации, когда оказывается невозможно, или неудобно, соединить маршрутизатор с проводной инфраструктурой, или какое-либо препятствие затруднит осуществление связи маршрутизатора с местом расположения беспроводных станций клиентов напрямую. В такой ситуации можно использовать точку в режиме повторителя (Repeater). Аналогично проводному повторителю, беспроводный повторитель просто ретранслирует все пакеты, поступившие на его беспроводный интерфейс. Эта ретрансляция осуществляется через тот же канал, через который они были получены (Рис. 1.5).

Рисунок 1.5 — Режим повторителя

При применении точки доступа — повторителя следует помнить, что наложение широковещательных доменов может привести к сокращению пропускной способности канала вдвое, потому что начальная точка доступа также «слышит» ретранслированный сигнал. Режим повторителя не включен в стандарт 802.11, поэтому для его реализации рекомендуется использовать однотипное оборудование (вплоть до версии прошивки) и от одного производителя. С появлением WDS данный режим потерял свою актуальность, потому что функционал WDS заменяет его. При переходе от проводной архитектуры к беспроводной иногда можно обнаружить, что имеющиеся сетевые устройства поддерживают проводную сеть Ethernet, но не имеют интерфейсных разъемов для беспроводных сетевых адаптеров. Для подключения таких устройств к беспроводной сети можно использовать точку доступа — клиент. При помощи точки доступа-клиента к беспроводной сети подключается только одно устройство (Рис. 1.6).

Рис. 1.6 — Режим клиента Наиболее перспективным классом широкополосных беспроводных сетей на данном этапе являются Ad-Hoc сети. Если в случае традиционной беспроводной сети необходимо разворачивать зачастую дорогостоящую инфраструктуру базовых станций, то в случае самоорганизующихся сетей достаточно одной или нескольких точек доступа. Все мобильные узлы динамически создают специальную сеть (Ad-Hoc сеть), не требуя при этом административной поддержки. Таким образом, Ad-Hoc возникают лишь благодаря взаимодействиям между узлами, и только с помощью абонентских узлов осуществляется контроль и управление в таких сетях. Ad-hoc сети предлагают уникальные преимущества и универсальность для определенных условий и для определенных приложений. Так как нет фиксированной инфраструктуры, базовых станций, то такие сети могут быть созданы и использоваться в любое время и в любом месте. Ad-hoc сети могут быть отказоустойчивыми из-за того, что их топология не является фиксированной. И действительно, если все узлы мобильны, то состав Ad-Hoc сетей динамически изменяется во времени. Добавление и удаление узлов происходит только при взаимодействии с другими узлами, ни одно другое устройство в этом участия не принимает. Такие преимущества Ad-Hoc сетей изначально вызвали интерес у военных, спасательных служб для использования в зонах вооруженных конфликтов, стихийных бедствий и т. д. Однако, в последнее время Ad-Hoc сети стали использовать и для дома, для сетей небольших офисов, для совместных вычислений компьютеров, расположенных на небольшой территории. В общем случае структура простейшей самоорганизующейся сети представляет собой большое количество абонентов на некоторой площади, которую упрощенно можно назвать площадью покрытия сети, и одну или несколько точек доступа к внешним сетям. Каждое из абонентских устройств, в зависимости от его мощности, обладает своим радиусом действия. Если абонент, находясь «на периферии» посылает пакет абоненту, находящемуся в центре сети или на точку доступа, происходит так называемый многоскачковый процесс передачи пакета через узлы, находящиеся на пути заранее проложенного маршрута. Таким образом, можно сказать, что каждый новый абонент за счет своих ресурсов увеличивает радиус действия сети. Следовательно, мощность каждого отдельного устройства может быть минимальной. А это предполагает как меньшие стоимости абонентских устройств, так и лучшие показатели безопасности и электромагнитной совместимости. Ad-hoc сети могут быть классифицированы согласно их применению:

— Мобильные самоорганизующиеся сети (Mobile Ad-hoc Networks, MANET);

— Беспроводные mesh-сети (Wireless Mesh Networks, WMN);

— Беспроводные сенсорные сети (Wireless Sensor Networks, WSN).

Мобильная беспроводная сеть (MANET), которую иногда называют мобильной mesh-сетью, является самонастраивающейся сетью, которая состоит из мобильных устройств. Все узлы используют для связи беспроводные соединения. (Рис. 1.7)

Рис. 1. 7 — Пример архитектуры сети MANET

Все устройства в MANET постоянно перемещаются, а следовательно, в сети постоянно меняются связи. Каждый узел должен передавать не только свой узел, а значит, он выполняет и функции маршрутизатора. Главная задача в создании такой сети — сделать так, чтобы все устройства могли постоянно поддерживать актуальную информацию для правильной маршрутизации трафика.

MANET сеть также можно разделить на несколько классов:

— Vehicular Ad Hoc Network (VANET) -Ad-Hoc сеть, которая используется для связи транспортных средств друг с другом, а так же для их соединения с придорожным оборудованием; - Intelligent vehicular Ad-Hoc network (InVANET) — своего рода искусственный интеллект, который помогает управлять автомобилем во время различных непредвиденных ситуаций;

— Internet Based Mobile Ad hoc Network (iMANET) — Ad-Hoc сеть, которая соединяет мобильные узлы с фиксированными Internet-шлюзами. Для такого типа сети обычные алгоритмы ad-hoc маршрутизации не пригодны.

Беспроводные mesh-сети (Wireless Mesh Network, WMN) — это особый вид Ad-Hoc сетей, который имеет более спланированную конфигурацию. Mesh-сети состоят из клиентов (ноутбуки, мобильные телефоны и т. д.), маршрутизаторов и шлюзов (Рис. 1.8).

Рис. 1.8 — Пример беспроводной mesh-сети

Mesh-сети надежны и обладают некоторой избыточностью. Когда один узел пришел в неисправность, остальные будут иметь другие пути для связи между собой. Маршрутизаторы часто не ограничены с точки зрения ресурсов, поэтому они могут выполнять более сложные функции.

Беспроводные сенсорные сети (Wireless Sensor Network, WSN) — беспроводная сенсорная сеть, состоит из пространственно распределенных автономных датчиков для мониторинга физических и экологических условий, таких как температура, звук, вибрации, давление, движение, уровень загрязняющих веществ, а так же для передачи совместных данных через сеть к получателю (Рис. 1.9).

Рис. 1.9 — Пример архитектуры беспроводной сенсорной сети

Более современные сети являются двунаправленными, что позволяет также контролировать деятельность датчиков.

Одна WSN сеть может состоять от нескольких до нескольких тысяч узлов, где каждый узел соединен с одним, или с несколькими датчиками. Каждый узел сенсорной сети обычно имеет несколько частей: приемо-передатчик с антенной, микроконтроллером, электронной схемой для сопряжения с датчиками и источник энергии, как правило, батарея. Основные характеристики WSN:

— потребляемая мощность узлов ограничивается батареей;

— способность справляться с узловыми неисправностями;

— мобильность узлов;

— динамическая топология сети;

— неоднородность узлов;

— способность выдерживать суровые условия окружающей среды;

— простота в использовании.

Таблица 1.2 — Основные характеристики стандартов беспроводных сетей

Однако несмотря на множество примуществ беспроводных сетей, основной проблемой является их невысокая производительность. В связи с этим в работе были проанализированы методы повышения производительности беспроводных локальных сетей Ad-Hoc, так они являются наиболе перспективными и удобными для применения.

2. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ В AD-HOC СЕТЯХ

2.1 Факторы, влияющие на производительность беспроводных сетей

Пропускные способности каналов связи в современных проводных и беспроводных технологиях значительно различаются, по той причине, что данные в беспроводных сетях передаются при помощи радиоволн, которые подвержены значительным искажениям в ходе передачи информации. Производительность беспроводных сетей и, в том числе, сетей Ad-Hoc зависит от ряда факторов:? Соотношение сигнал/шум;? Расположение соседних устройств;? Конструкция здания;? Архитектура беспроводной сети;? Тип клиентов (их совместимость);? Интерференция .

Исходя из этого ниже будут приведены известные на данном этапе развития беспроводных сетей методы, которые могут повысить производительность Ad-Hoc сетей.

2.2 Анализ методов повышения производительности в Ad-Hoc сетях

В современных беспроводных сетях существует необходимость повышения пропускной способности. Пропускная способность может быть увеличена с помощью расширения полосы частот или повышения излучаемой мощности. Тем не менее, применимость этих методов имеет недостатки, так как из-за требований биологической защиты и электромагнитной совместимости повышение мощности и расширение полосы частот ограничено. Поэтому, если в системах связи возможные повышение излучаемой мощности и расширение полосы частот не обеспечивают необходимую скорость передачи данных, то одним из самых эффективных способов решений этой проблемы может быть применение адаптивных антенных решёток со слабо коррелированными антенными элементами. Системы связи, которые используют такие антенны, получили название MIMO систем (Multiple Input Multiple Output). 2.2.1 Технология MIMO Технология MIMO играет важную роль в реализации Wi-Fi стандарта 802.11n, в которой применяются несколько антенн различного рода, настроенных на одном и том же канале. Каждая антенна передает сигнал с различными пространственными характеристиками. Таким образом, технология MIMO использует спектр радиоволн более эффективно и без ущерба для надежности работы. Каждый Wi-Fi приемник «прислушивается» ко всем сигналам от каждого Wi-Fi передатчика, что позволяет делать пути передачи данных более разнообразными. Таким образом, несколько путей могут быть перекомбинированы, что приведет к усилению требуемых сигналов в беспроводных сетях. Еще один плюс технологии MIMO в том, что данная технология обеспечивает пространственное деление мультиплексирования (Spatial Division Multiplexing, SDM). SDM пространственно уплотняет несколько независимых потоков данных одновременно (в основном, виртуальных каналов) внутри одной спектральной полосы пропускания канала. В сущности, несколько антенн передают различные потоки данных с индивидуальной кодировкой сигналов (пространственные потоки). Эти потоки, двигаясь параллельно по воздуху продвигают больше данных по заданному каналу. На приемнике каждая антенна видит разные сочетания сигнальных потоков и приемник демультиплексирует эти потоки для их использования. MIMO SDM может значительно увеличить пропускную способность для передачи данных, если увеличить число пространственных потоков данных. Каждому пространственному потоку необходимы свои собственные передающие/принимающие (TX/RX) антенные пары на каждом конце передачи. Также для реализации технологии MIMO требуется отдельная радиочастотная цепь и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для каждой антенны. Реализации, требующие более двух антенн в цепи должны быть тщательно спроектированы для того, чтобы не увеличивать расходы при сохранении надлежащего уровня эффективности. Важным инструментом для повышения физической скорости передачи данных в беспроводных сетях, является расширение полосы пропускания спектральных каналов. Благодаря использованию более широкой полосы пропускания канала с ортогональным частотным разделением мультиплексирования (Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM) передача данных осуществляется с максимальной производительностью. OFDM является цифровой модуляцией, которая отлично себя зарекомендовала в качестве инструмента для осуществления двунаправленной высокоскоростной беспроводной передачи данных в WiMAX/Wi-Fi сетях. Метод расширения пропускной способности каналов является экономически эффективным и достаточно легко реализуемым с умеренным ростом цифровой обработки сигнала (Digital Signal Processing, DSP). При правильном применении, можно удвоить частоту пропускания стандарта Wi-Fi 802.11 с 20 МГц канала на 40 МГц, также можно обеспечить более чем в два раза увеличенную пропускную способность каналов, используемых в настоящее время. Благодаря объединению MIMO архитектуры с более широкой полосой пропускания канала, получается очень мощный и экономически целесообразный подход для повышения физической скорости передачи. Совместное применение технологий MIMO и расширения канала отвечает всем требованием пользователя и являет собой достаточно надежный тандем. Это так же верно и при использовании одновременно нескольких ресурсоемких сетевых приложений. В целом технология MIMO позволяет повысить производительность в 1,5 — 1,8 раз.

2.2.2 Кодирование и модуляция сигналов

Для повышения производительности и качества беспроводных сетей также применяются различные виды кодирования и модуляции сигнала. Смысл метода расширения спектра прямой псевдослучайной последовательнос тью (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) заключается в приведении узкополосного спектра сигнала к его ши рокополосному представлению, что позволяет увеличить устойчивость передава емых данных к помехам. При использовании метода широкополосной модуляции с прямым расширением спектра диапазон 2400−2483,5 МГц делится на 14 перекрывающихся или три не перекрывающихся канала с промежутком в 25 МГц. Фактически это означает, что разное оборудование может параллельно использовать три канала, при этом не мешая друг другу работать. Для пересылки данных используется всего один канал. Чтобы повысить каче ство передачи и снизить потребляемую при этом энергию (за счет снижения мощности передаваемого сигнала), используется последовательность Баркера, которая характеризуется достаточно большой избыточностью. Избыточность кода позволяет избежать повторной передачи данных, даже если пакет частич, но поврежден. В отличии от DSSS, при использовании метода широкополосной модуляции со скачкообразной пере стройкой (Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS) частотный диапазон 2400−2483,5 МГц делится на 79 каналов шириной по 1 МГц. Данные передаются последовательно по разным каналам, создавая некоторую схему переключения между каналами. Всего существует 22 такие схемы, причем схему переключения согласовывают отправитель и получатель данных. Схемы переключения разработаны таким образом, что шанс использования одного канала разными отправителями минимален. Переключение между каналами происходит очень часто, что обусловлено малой шириной канала (1 МГц). Поэтому метод FHSS в своей работе использует весь доступный диапазон частот, а значит, и все каналы. Помимо DSSS и FHSS метод ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM) является одним из скоростных методов передачи данных. В отличие от методов DSSS и FHSS, с его помощью можно параллельно передавать данные по несколь ким частотам радиодиапазона. При этом информация разбиваются на части, что позволяет не только увеличить скорость, но и улучшить качество передачи. Данный метод модуляции сигнала может работать в двух диапазонах — 2,4 и 5 ГГц. Чтобы повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала, то есть увеличить вероятность безошибочного распознавания сигнала на приемной стороне в условиях шума, можно воспользоваться методом перехода к широкополосному сигна лу, добавляя в исходный сигнал избыточность. Для этого в каждый передаваемый информационный бит «встраивают» определенный код, состоящий из последовательности так называемых чипов. Итак, после подбора специальных сочетаний последовательности чипов и превра щения исходящего сигнала практически в нераспознаваемый шум при приеме сиг нал умножается на специальную корреляционную функцию (код Баркера). В ре зультате этого все шумы становятся в 11 раз слабее, так как остается только полезная часть сигнала — непосредственно данные. Для сжатия битов данных применяется технология шифрования с использованием комплементарных кодов (Complementary Code Keying, ССК) что позволяет достичь повышения скорости передачи информации. Изначально эта технология использовалась в стандарте IEEE 802.11b, что позво лило достичь скорости передачи данных 5,5 и 11 Мбит/с. С помощью ССК можно кодировать несколько битов в один символ. В частности, при скорости передачи данных 5,5 Мбит/с 1 символ равняется четырем битам, а при скорости 11 Мбит/с один символ равен 8 битам данных. Данный способ кодирования можно описать достаточно сложными системами — математическими уравнениями, в основе которых лежат комплементарные вось миразрядные комплексные последовательности. Технология гибридного кодирования CCK-OFDM используется при работе обору дования как с обязательными, так и с возможными скоростями передачи данных. Как ранее упоминалось, при передаче информации применяются пакеты данных, имеющих специальную структуру. Эта структура содержит, как минимум, служеб ный заголовок. При использовании гибридного кодирования CCK-OFDM служеб ный заголовок пакета строится с помощью ССК-кодирования, а сами данные — с по мощью OFDM-кодирования. Технология квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature amplitude modulation, QAM) используется при высоких скоростях передачи данных (начиная со скорости 24 Мбит/с). Ее суть заключается в том, что скорость передачи данных повышается за счет изменения фазы сигнала и изменения его амплитуды. При этом используются модуляции 16-QAM и 64-QAM, которые позволяют кодировать 4 бита в одном символе при 16 разных состояниях сигнала (в первом случае) и 6 битов в одном символе при 64 разных состояниях сигнала (во втором). Обычно 16-QAM используется при скорости передачи данных 24 и 36 Мбит/с, а мо дуляция 64-QAM — при скорости передачи данных 48 и 54 Мбит/с. Применение различных видов кодирования и модуляции повышеат проиводительность сетей в среднем в 0,6 — 0,8 раз.

2.2.3 Методы повышения произвоидтельности в Ad-Hoc сетях на основе использования протоколов маршрутизации

В Ad-Hoc сетях производительность можно повысить за счет использования протоколов маршрутизации. В такой сети каждый узел может выполнять функции маршрутизатора и принимать участие в ретрансляции пакетов данных. Для этой технологии, как и для любых беспроводных систем, характерны ограниченная полоса пропускания и зона радиовидимости. В результате протоколы и технические решения, используемые в классических проводных сетях, например централизованная маршрутизация с иерархией заранее назначенных маршрутизаторов, в сетях Ad-Hoc оказываются неэффективными и не обеспечивают нужную производительность. Для успешного применения в Ad-Hoc сетях протоколы маршрутизации должны обладать следующии качествами: — Быть распределенными. Все узлы в сети должны быть способны осуществлять маршрутизацию и не иметь жестко закрепленных за собой функций; - Обеспечивать надежную доставку пакетов в условиях постоянно изменяющейся топологии сети, когда использование классических механизмов гарантированной доставки, как, например, на транспортном уровне в протоколе TCP, затруднено; - Обеспечивать малое время построения маршрута в условиях постоянно изменяющейся топологии сети; - Обладать механизмами оперативного обнаружения разрыва маршрута и его восстановления; - Не допускать образования петель в маршрутах; - Рассылать при функционировании как можно меньший объем служебной информации; - Обладать высокой масштабируемостью, т. е. обеспечивать высокую производительность сети при различных ее размерах; - Поддерживать QoS. Использование протоколов маршрутизации позволяет повысить производительность Ad-Hoc сетей в 1,5 — 2 раза.

2.2.4 Методы повышения производительности в Ad-Hoc сетях на основе использования интеллектуальных антенных решеток

Простейшие интеллектуальные антенны, предназначенные для разнесённого приёма радиосигналов, широко используются в точках доступа и адаптерах беспроводных локальных сетей. Такая антенна состоит из двух элементов (излучателей) и внутреннего коммутатора, подсоединяющего к приёмнику тот элемент, который принимает более мощный сигнал. Она помогает уменьшить негативный эффект многолучевого распространения радиоволн, вызванного их отражением от разных предметов, в результате чего один и тот же переданный радиосигнал многократно (с разной временной задержкой) поступает на вход приёмника точки доступа, что приводит к сильному ослаблению принимаемого сигнала. Для увеличения зоны действия беспроводной сети требуются ещё более интеллектуальные антенны, к которым относятся фазированные антенные решётки. Такая антенна функционирует как точка доступа, а его решётка наводит радиолуч на клиентское устройство стандарта 802.11. Данная антенная система увеличивает дальность связи (особенно на улице). Однако фазированные антенные решётки, как правило, имеют значительные габаритные размеры и стоят дорого. Ещё один вариант реализации интеллектуальной антенны — адаптивные решётки. В них принятые элементами решётки сигналы умножаются на определённые весовые коэффициенты, а затем суммируются. Адаптивная решётка может быть реализована в виде дополнительной подсистемы, подсоединяемой к имеющемуся устройству Wi-Fi. Использование интеллектуальных или фазированных антенных решеток позволяет повысить производительность беспроводной сети в 1,3 — 1,7 раз.

3. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ AD-HOC СЕТЕЙ

В ходе проведения обзора методов повышения производительности в Ad-Hoc сетях, было выяснено, что каждый из них влияет на производительность беспроводной сети в разной степени. Исходя из данных, полученных из используемой литературы были проанализированы 3 основных метода повышения производительности в Ad-Hoc сетях.

3.1 Анализ метода повышения производительности на основе технологии MIMO

Технология MIMO позволяет значительно повысить производительность беспроводных сетей. Однако использование данной технологии влечет за собой усложнение антенных систем, что, в свою очередь, приводит к увеличению габаритов устройств, увеличению числа передатчиков, которое приведет к уменьшению времени работы от батарей портативных устройств. Кроме того, существенное увеличение производительности беспроводных сетей доступно только в диапазоне 5 ГГц ввиду используемого количества каналов. Технология MIMO применяется в беспроводных сетях стандарта 802.11n, что позволяет ей обеспечивать более высокую пропускную способность, чем сети стандартов 802.11b/g. Ниже приведена зависимость пропускной способности от используемой технологии (Рис. 3.1).

Рис. 3.1 — Зависимость производительности стандартов 802.11b/g и 802.11n, в основу которого положена технология MIMO

Используя симулятор-лабораторию eWeek Labs, где можно задавать расстояние между точками доступа и стандарты 802.11b/g и 802.11n была сравнена принципиальная производительность точек доступа, что свидетельствует о том, что вся беспроводная сеть в целом будет иметь производительность выше, есть в ней будет использоваться технология MIMO. Из рис. 3.1 видно, что производительность сети при использовании технологии MIMO увеличивается в 1,5−1,8 раз.

3.2 Анализ метода повышения производительности на основе увеличения ширины полосы пропускания канала

Расширение спектра сигнала путем объединения двух 20 МГц каналов в один 40 МГц, делает спектр сигнала более широкополосным, при этом сохраняя ограничения на излучаемую мощность и позволяя увеличить производительность беспроводной сети, так же как и технология MIMO, в 1,5 — 1,8 раза (рис. 3.2).

Рис. 3.2 — Зависимость пропускной способности канала от полосы частот Как видно из рисунка при увеличении полосы частот позволяет увеличить пропускную способность примерно в 1,5 раза.

3.3 Повышение производительности на основе использования протоколов маршрутизации

Повысить производительность Ad-Hoc сетей можно за счет использования алгоритмов многопутевой маршрутизации, которые, в отличие от алгоритмов маршрутизации кратчайшего маршрута, позволяют балансировать загруженность сети, увеличивая ее производительность в 1,5 — 2 раза. При маршрутизации кратчайшего маршрута каждому адресату соответствует только один путь. В алгоритмах многопутевой маршрутизации для каждого адресата вычисляется несколько путей. Это позволяет оптимально использовать емкость канала связи и повысить общую пропускную способность. Дополнительно обеспечивается некоторая отказоустойчивость сети. Недостаток многопутевой схемы в том, что таблицы маршрутизации занимают больший объем, а сами алгоритмы становятся сложнее.

Рис. 3.3 — Зависимость производительности от типа используемой маршрутизации Из рисунка видно, что производительность беспроводной сети повышена за счет использования многопутевой маршрутизации вместо маршрутизации кратчайшего пути практически вдвое, благодаря тому, что загруженность сети была более сбалансированной. В табл. 3.1 приведены основные способы повышения производительности Ad-Hoc сетей и их эффективность. Исходя из данных, приведенных на графиках можно сделать вывод, что каждый из рассмотренных методов значительно повышает эффективность беспроводных сетей. К тому же, эти методы используются на разных уровнях сетевой модели OSI, что дает возможность применить их одновременно и увеличивать производительность сети во много раз.

Таблица 3.1 — Методы повышения производительности Ad-Hoc сетей

метод технология производительность ad-hoc сеть

ВЫВОДЫ

В бакалаврской работе проведен анализ методов повышения производительности в Ad-Hoc сетях. В первом разделе рассмотрены типы беспроводных сетей, приведена их классификация. Рассмотрены основные технологии сетей WPAN, WLAN, WMAN. Приведены режимы работы WLAN-сетей, в частности: режим Ad-Hoc, инфраструктурный режим, режим моста, распределенная система с точкой доступа, режим повторителя и режим клиента. Подробно рассмотрен наиболее преспективный на данном этапе развития класс беспроводных сетей — Ad-Hoc сети, классификация Ad-Hoc сетей (MANET, WMN, WSN). Приведены основные характеристики стандартов беспроводных сетей. Во втором разделе были приведены факторы, влияющие на производительность беспроводных сетей. Проведен обзор существующих методов повышения производительности в Ad-Hoc сетях: описан принцип работы технологии MIMO, принцип увеличения ширины полосы пропускания канала, основные виды кодирования и модуляции в беспроводных сетях, методы повышения производительности в Ad-Hoc сетях на основе использования протоколов маршрутизации, использование интеллектуальных антенных решеток. В третьей части был проведен анализ основных методов повышения производительности в Ad-Hoc сетях: технологии MIMO, увеличения полосы пропускания канала и использования протоколов многопутевой маршрутизации. Было высянено, что наиболее эффективным методом повышения производительности является применение протоколов многопутевой маршрутизации. Производительность Ad-Hoc сетей можно значительно повысить, конвергируя методы, используемые на разных уровнях сетевой модели OSI. Это может обсепечить увелечинеие эффективности работы Ad-Hoc сети во много раз.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, С. Л. Портной, И. В. Шахнович Широкополосные беспроводные сети передачи информации. Текст] М.: Техносфера, 2005 — 592 с.

2. WiMAX — технология беспроводной связи: основы теории, стандарты, применение. Текст] / Под ред. В. В. Крылова. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 368 с.: ил.

3. Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети.: Пер. с англ. Текст] - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. — 640 с.

4. Технология передачи данных MIMO в беспроводных сетях Wi-Fi [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.getwifi.ru/p_mimo.html

5. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-е изд. [Текст] - СПб.:Питер, 2006. — 958 с.

6. Григорьев В. А., Лагутенко О. И., Распаев Ю. А. Сети и системы радиодоступа. Текст] - М.: Эко-Трендз, 2005. — 384 с.

7. Методы увеличения производительности в беспроводных сетях Wi-Fi [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.ixbt.com/comm/tech-80211g-super₁.shtml

8. Рошан Пенджман, Лиэри Джонатан. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. [Текст]: Пер с англ. — М. Издательский дом «Вильямс», 2004. — 304 с.