CC BY
61
УДК 621.39
ФАЗ1-КОНТРОЛЕР ДЛЯ МЕРЕЖ WIMAX1
Семенова О. О., к.т.н., доцент; Боярський К. О.; Постернак О. М.
Втнщъкий нащоналъний техшчнийушверситет, Втнщя,Украта,
FUZZY-CONTROLLER FOR WIMAX NETWORKS
O.Semenova, PhD, Associate Professor; K.Boyarskiy; O.Posternak
Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine
Вступ
Одним з основних напрямюв розвитку сучасних телекомушкацшних технологш е бездротовi мережi передачi шформаци. Серед них все бшьшо-го поширення одержують таю технологи як персональш мережi IEEE 802.15 (Bluetooth)., локальш мережi IEEE 802.11 (Wi-Fi) та стандарт ушвер-сальних мiських мереж IEEE 802.16 (WiMAX), у яких бездротовий широко-смуговий доступ використовуеться дуже широким спектром додатюв — вщ традицiйноi передачi мови до сучасних мультимедшних додаткiв. WiMAX — це технолопя операторського класу з високою якiстю сервiсу [1]. Через штенсивний розвиток бездротових мереж постають проблеми тд-вищення i^ продуктивност та з'являеться необхiднiсть розробки алгорит-мiв, якi дозволять забезпечити своечасну та надшну передачу iнформацii, тдвищити коефiцiент використання смуги пропускання, скоротити час ре-агування базовоi станци на запити абонентських станцiй, а також забезпечити яюсть обслуговування для рiзних видiв трафiка.
Одними iз найважливiших в галузi забезпечення якост обслуговування е проблеми планування та керування доступом. В процес забезпечення якост обслуговування необхщне планування кадру для того, щоб визначи-ти, який пакет буде обслуговуватися першим у конкретнш черзi [2]. Також для подальшого полшшення якостi i ефективностi передачi даних у мережах WiMAX необхщно розробити метод керування доступом, який дозволить запоб^ати переповненню i блокуванню потокiв.
Таким чином, проблема розробки ефективних методiв керування доступом, що дозволить одержати бшьш високу пропускну здатнiсть при не-збалансованому трафiку та знизити затримку пакепв, е актуальною.
Огляд кнуючих алгоритмiв керування доступом з'еднань
Проблема керування доступом з'еднань активно дослщжувалася як для проводових, так i для бездротових систем. Для аналiзу рiзних алгоритмiв керування доступом з'еднань були запропоноваш аналiтичнi моделi, засно-
1 http://radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/987
ваш на ланцюгах Маркова [3]. Однак бшьша частина цих моделей працюе тшьки на рiвнi викликiв для традицшних голосових мереж. А от у бездро-тових мережах з комутащею пакетiв необхiдно розглядати функщонування на рiвнi пакетiв.
Основна мета мехашзму керування доступом - обмеження юлькост iснуючих потокiв з'еднань так, щоб можна було забезпечити продуктив-нiсть якостi обслуговування для вшх вхiдних викликiв.
Зараз використовуються два основш алгоритми керування доступом для абонентських станцш, якi забезпечують необхщш характеристики яко-стi обслуговування з'еднань.
При застосуванш алгоритму, заснованому на граничному значенш, у випадку, коли з'являеться нове з'еднання, модуль керування доступом пе-ревiряе, чи буде загальна кiлькiсть з'еднань меншою або рiвною граничному значенню.
Алгоритм, заснований на аналiзi черг, працюе на основi ймовiрностi прийому з'еднання, що визначаеться статусом черги.
Алгоритм, заснований на неч^юй лопщ е найбiльш доцiльним у ситуаций коли вiдсутне не лише детермшоване представлення задачi, але й сто-хастичнi ймовiрнiснi методи.
У робот [4] показано, що для проектування протоколу керування ресурсами перспективним е використання так званих «м'яких» обчислюваль-них методик, наприклад, заснованих на нечггюй лопщ або генетичних алгоритмах. Це дозволяе задовольнити вимоги користувачiв до якост обслу-говування та максимально використовувати ресурси системи.
Постановка задачi
Таким чином, метою роботи е розроблення нового методу керування, що забезпечуе тдвищення якост обслуговування в мережах Ж1МАХ.
Для досягнення мети необхщно розв'язати таю задача
- визначити лшгвютичш змшш фазi-контролера та !х терми, врахову-ючi iнформацiю з вщомих робiт;
- визначити функцii належносп, причому необхiдно вказати конкретнi числовi параметри;
- розробити базу правил для подальшоi реалiзацii пристрою;
- промоделювати роботу фазi-контролера, що дозволить ощнити його працездатнiсть.
Розроблення фазьконтролера
Розроблений фазi-контролер доступу абонента до мереж ЖгМАХ подано на рис. 1. Вш мае таю вшдш змшш: час очшування, довжина черги, розмiр пакета. Вихiдною змiнною фазьконтролера е величина прюри-
Фазi-контролер Р
01- .
-> РЭ ->
Рис. 1. Фазьконтролер доступу тету абонента
Фазьконтролер е контролером Мамданi, здшснюе шференцш типу «мш-макс», а дефазiфiкацiю за методом центроща.
Використання подiбного фазьконтролера доступу дозволить уникнути перевантаження мережi та покращити ефективнiсть И функцюнування.
Визначення функцiй належностi
Для опису часу очшування використовуються терми «низький», «середнш» та «високий». Функцп належностi для Т (ИТ) наведеш на рис.2. Таким чином, множина значень для часу очшування е такою: Т(ИТ) = {Низький (С^), Середнш (М), Високий (Н)}.
Для опису довжини черги викори-стовуються терми «коротка», «серед-ня» та «довга». Функцii належностi для Т(ОС) наведеш на рис. З.Таким чином, множина значень для довжини
„ А ... . „„ черги е такою:
Рис. 2. Функцп надежности для у!
Т (ОС) = {Коротка ^И), Середня(М), Довга (Ьп)}
Для опису розмiру пакету використовують-ся терми «малий», «сере-днш» та «великий». Функцп належносл для Т{РБ) наведеш на рис. 4. Рис. 3. функцп належносп для С>Ь Таким чином, множина
значень для розмiру пакету е такою:
Т(Р8) = {Малий ^ш), Середнш (ММ), Великий (Lg)}
Для опису величини прюритету абонента ви-користовуються терми «дуже низький», «низький», «середнш», «висо-кий» та «дуже висо-кий». Функцп належнос-т для Т(Р) наведеш на рис. 5. Таким чином, множина значень для величини прюритету абонента е такою:
Т (Р) = {дуже низький (УС), низький (С), середнш (М), високий (Н), дуже високий (УН)}
Рис. 4. Функцп належносп для Р8
1. якщо WT = Lw i QL = Sh i PS = Sm, тоЫ Р = УL;
2. якщоЖТ = Lw i QL = ShlPS = М, тодг Р =
3. якщо WT = Lw i QL = Sh i PS = Lg, mодi Р = L;
4. якщо WT = Lw i QL = МI PS = Sm, тодг Р = УL;
5. якщо ЖТ = Lw i QL = М i PS = М, mодi Р = L;
6. якщо ЖТ = Lw i QL = М i PS = Lg, mодi Р = М;
7. якщо ЖТ = Lw i QL = Ln i PS = Sm, тодi Р = VL;
8. якщо ЖТ = Lw i QL = Ln i PS = М, mодi Р = КЪ;
9. якщо ЖТ = Lw i QL = Ln i PS = Lg, mодi Р = L;
10. якщо ЖТ = Mi QL = Sh i PS = Sm, тодг Р = L;
11. якщо ЖТ = Mi QL = Sh i PS = М, тодг Р = L;
12. якщо ЖТ = Mi QL = Sh i PS = Lg, тодi Р = L;
13. якщо т = Mi QL = М i PS = Sm, тодi Р = L;
14. якщо ЖТ = Mi QL = М i PS = М, тодi Р = М;
15. якщо т = Mi QL = М i PS = Lg, тодi Р = Н;
16. якщо ЖТ = М i QL = Ln i PS = Sm, тодi Р = L;
17. якщо ЖТ = Mi QL = Ln i PS = М, тодi Р = L;
18. якщо т = Mi QL = Ln i PS = Lg, тодi Р = М;
19. якщо ЖТ = Н i QL = Sh г PS = Sm, тодг Р = М;
20. якщо ЖТ = Н i QL = ShlPS = М, тодг Р = М;
21. якщо ЖТ = Н i QL = Sh i PS = Lg, тодг Р = Н;
22. якщо ЖТ = Н i QL = М г PS = Sm, тодг Р = М;
23. якщо ЖТ = Н i QL = М г PS = М, тодг Р = Н;
24. якщо ЖТ = Н i QL = М г PS = Lg, тодг Р = УН;
25. якщо ЖТ = Н i QL = LniPS = Sm, тодi Р = М;
26. якщо ЖТ = Н i QL = Ln i PS = М, тодi Р = М;
27. якщо т = Н i QL = Ln i PS = Lg, тодi Р = Н.
В1сник Нацюнального техтчного утеерситету Украти «КП1»
База правил, яка описуе принципи фун-кщонування розробле-ного фазьконтролера, створюеться на основi експертних знань i складаеться з двадцяти семи правил:
Рис. 6. Схема фаз1-контролера
< тот жмгт'чш
Моделювання фазi-контролера доступу
Для моделювання роботи фазьконтролера використаемо програму МаНаЬ 6.5. Ця програма дозволяе iмiтувати роботу фазi-контролерiв та нейронних мереж. Схема фазьконтролера доступу у програмi Matlab 6.5 мае вигляд, поданий на рис. 6.
Тобто маемо три вхщш величини — час очiкування ЖТ, довжину черги QL та розмiр пакета РБ i одну вихщ-ну — прюритет абонента Р.
Задаемо функцп належностi для часу очшування ЖТ (рис. 7). Таким же чином задаемо функцп належнос-т i для довжини черги QL, розмiру пакета РБ i прiоритету абонента Р.
Вводимо базу правил роботи фазь контролера доступу, що складаеться iз двадцяти семи правил типу «якщо-то».
Для моделювання реально!' роботи фазьконтролера доступу задамо кон-кретш числовi значення для кожно! вхщно! величини. Нехай час очжу-вання ЖТ = 40, довжина черги QL = 70 , а розмiр пакета РБ = 0,3
Результат роботи фазьконтролера при заданих вхщних даних подано на рис. 8. Тобто, промоделювавши роботу фазьконтролера у середовищi Matlab 6.5, отримуемо значення прю-ритету абонента Р = 0,363.
Запропонований контролер вико-ристовуе метод шференцп макс-мш, оскiльки вш зручний для роботи у режимi реального часу. Для процесу дефазiфiкацп застосовуеться метод Мамданi, що забезпечуе простоту ро-зрахункiв. Процес дефазiфiкацil дае чггке значення прюритету конкретно-Рис. 8. Результати моделювання го абоненту, що дозволяе ошгашзува-ти процес керування викликами.
Рис. 7. Задания функцш належност1
Висновки
На даний час актуальною е задача розроблення ефективних алгоритмiв планування та керування доступом у мережах третього та четвертого по-колшня, що дозволить одержати бiльше високу пропускну здатнють при незбалансованому трафшу та знизити затримку пакетiв. У данш статтi проблема керування доступом в мережах WiMAX виршена шляхом засто-сування методiв нечiткоi лопки. Так, для покращення ефективностi контролю доступу до бездротових мереж WiMAX пропонуеться використовува-ти розроблений фазьконтролер, вiрнiсть функцiонування якого тдтвер-джуеться проведеним моделюванням. Отриманiй фазьконтролер вiдрiзня-еться вiд вiдомих своею простотою та наочшстю. Використання запропо-нованого контролера дозволить забезпечити високу яюсть обслуговування пiсля прийняття з'еднання, зменшити затримку пакетiв у мереж^ тдвищи-ти пропускну здатнiсть системи, а також спростити елементи структури системи.
Перелж посилань
1. Сюваткин В. С. WiMAX - технология беспроводной связи: основы теории, стандарты, применение / В. С. Сюваткин, В. И. Есипенко, И. П. Ковалев, В. Г. Сухоребров ; под ред. В. В. Крылова. - СПб : БХВ-Петербург, 2005. - 368 с.
2. Аунг Мьо Маунг. Исследование и разработка алгоритмов планирования и приоритетного управления доступом в сетях WiMax: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Аунг Мьо Маунг. - М. : МИЭТ, 2010. - 25 с.
3. Fang Y. Call admission control schemes and performance analysis in wireless mobile networks / Y. Fang, Y. Zhang // IEEE Transactions on Vehicular Technology. - 2002. - Vol. 51, №.2. - Р. 371-382.
4. Крылов В. В. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети / В. В. Крылов, М. И. Дли, Р. Ю. Голуков. - М. : Физматиз, 2001. - 224 с.
References
1. Syuvatkin V. S., Esipenko V. I., Kovalev I. P., Sukhorebrov V. G., Krylov V. V. eds. (2005) WiMAX - tekhnologiya besprovodnoi svyazi: osnovy teorii, standarty, primenenie [WiMax - Wireless Technology: Fundamentals of Theory, Standards, Application]. SPb, BKhV-Peterburg Publ., 368 p.
2. Aung M'o Maung (2010) Issledovanie i razrabotka algoritmov planirovaniya i prior-itetnogo upravleniya dostupom v setyakh WiMax. Diss. kand. tekhn. nauk [Research and development of algorithms for planning and priority access control in WiMax networks. Dr. of Techn. Sci. diss.]. Moskow, 25 p.
3. Fang Y. and Zhang Y. (2002) Call admission control schemes and performance analysis in wireless mobile networks. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 51, No 2, pp. 371-382.
4. Krylov V. V., Dli M. I. and Golukov R. Yu. (2001) Nechetkaya logika i iskusstvennye neironnye seti [Fuzzy logic and artificial neural networks]. Moskow, Fizmatiz Publ., 224 p.
Семенова О. О., Боярський К. О., Постернак О. М. Фаз1-контролер для мереж WiMAX. У cmammi пропонуеться використовувати для керування доступом до мереж WiMAX фаз^контролер, що дасть змогу уникнути перевантаження у мережi. Вхiдни-ми лтгвштичними змтними контролера е час очтування, довжина черги та розмiр пакета, а його вихiдною лшгв^тичною змшною е величина прюритету абонента. Ро-зроблено структурну схему фаз^контролера. Визначено лтгвютичш змтш, терми та функцп належностi для вхiдних та вихiдних змтних. Розроблено базу правил. Прове-дене iмiтацiйне моделювання роботи фаз^контролера в nрограмi Matlab 6.5.
Ключое1 слова: нечтка логта, доступ, керування, моделювання.
Семёнова Е .А., Боярский К. А., Постернак А. Н. Фаззи-контроллер для сетей WiMAX. В статье предлагается использовать для управления доступом к сетям WiMAX фаззи-контроллер, что предоставит возможность избежать перегрузки в сети. Входными лингвистическими переменным контроллера являются время ожидания, длина очереди и размер пакета, а его выходной лингвистической переменной является величина приоритета абонента. Разработана структурная схема фаззи-контроллера. Определены лингвистические переменные, термы и функции принадлежности для входных и выходных переменных. Разработана база правил. Проведено имитационное моделирование работы фаззи-контроллера в программе Matlab 6.5.
Ключевые слова: нечеткая логика, доступ, управление, моделирование.
O. Semenova, K. Boyarskiy, O. Posternak. Fuzzy-controller for WiMAX networks.
WiMAX is a broadband wireless last mile technology providing high speeds for long distances and offering great flexibility. Scheduling in WiMAX became one of the most important tasks, because it is responsible for distributing available resources among users. A high level of quality of service and scheduling support is one of the most interesting features of the Wi-MAX standard. In modern telecommunication networks the access control techniques are widely used. That is because using such devices instead of traditional ones permits to increase accuracy and reliability of control. Fuzzy systems have replaced conventional techniques in many engineering applications, especially in control systems. In the article it is suggested to use a fuzzy controller for access control in WiMAX networks that allows avoiding congestion in networks. The main objective of this work is providing an implementation of the WiMAX standard using the dynamic fuzzy logic based priority scheduler. We propose to use a fuzzy controller having three input and one output linguistic variables. Input linguistic variables of the controller are waiting time, queue length and packet size, its output variable is user's priority. A block diagram of the fuzzy controller was developed. Linguistic variables, terms and membership functions for input and output values have been defined. The Waiting time linguistic variable has three terms: low, medium, high. The Queue length linguistic variable has three terms: short, medium, long. The Packet size linguistic variable has three terms: small, medium, large. The rules base consisting of twenty-seven rules has been developed. The fuzzy controller has been simulated using Matlab 6.5. Results of the simulation prove the accuracy and reliability of the fuzzy-controller's model.
Keywords: fuzzy logic, access, control, simulation.
