Решение задач распределения телекоммуникационных ресурсов для локальных сетей на подвижных платформах

Назаров Сергей Николаевич; Аверьянов Евгений Сергеевич; Касеева Наталья Андреевна

УДК 65.021.56

С. H. НАЗАРОВ, Е. С. АВЕРЬЯНОВ, H. А. КАСЕЕВА РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ ДЛЯ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ НА ПОДВИЖНЫХ ПЛАТФОРМАХ

Проанализированы принцип функционирования локальной сети абонентов, размещённой па мобильной платформе, осуществляющей перемещение с высокой скоростью, на примере железнодо-р о лен ого состава(тоЫ1е hotspot (MHS)).

Настоящая работа посвящена разработки алгоритмов повышения эффективности функционирования MHS на основе решения оптимизационной задачи определения максимальной пропускной способности системы.

Решение задачи предлагается разбить на две подзадачи: определения множества соответствия репитеров базовой сети и антенн на подвю/сной платформе и распределения мощности передачи сигнала по линиям из множества соответствия. Решение первой подзадачи предлагается осуществить на основе венгерского метода, второй - симплекс-метода.

Ключевые слова: локальная сеть на мобильной платформе, репитер, зональный диспетчер, двудольный граф, множество соответствия, вектор мощности, пропускная способность системы, венгерский метод, симплекс-метод.

Введение

Технология mobile hotspot (MHS), определяемая как локальная сеть на подвижной платформе, становится широко востребованной. Внедрение MHS позволит пассажирам высокомобильных систем, таких как скоростные поезда, морские и воздушные суда, используя свои инфо-коммуникационные устройства - мобильные телефоны, ноутбуки и др., осуществлять доступ к ресурсам глобальных или корпоративных сетей. При этом решается проблема энергоснабжения, использование мощных антенных систем.

Применение MHS может осуществляться с использованием спутников - ретрансляторов на геостационарной орбите. Но ввиду их большой удалённости увеличивается время распространения сигнала, и поэтому затруднено использование приложений реального времени. Применение спутников на низкой орбите резко увеличивает стоимость абонентских терминалов. Использование структуры сотовых сетей связи недопустимо, так как высокомобильные системы -поезда со скоростью более 400 км в час, воздушные суда со скоростью более 900 км в час - требуют частой смены базовых станций, повышен эффект Доплера. Наиболее перспективной является реализация MHS для железнодорожных

транспортных систем [1], структурная схема которой показана на рис. 1.

Согласно схеме общая коммуникационная сеть транспортной системы - это совокупность коммутационного оборудования, которое обеспечивает передачу информационных потоков между и глобальной сетью, и местными информационными центрами - зональными диспетчерами (ZC -zone controllers). ZC отвечает за приём и передачу трафика, регистрацию в сети подвижной платформы и её мобильных абонентов в зоне своей ответственности, которым является участок в несколько километров железнодорожного пути. ZC направляет информационный поток из глобальной сети одновременно на все связанные с ним ретрансляторы (Rn - repeater). Rn передают нагрузку на множество антенн (Ahj... Ahn), установленных на подвижной платформе. Все Ан подключены к станции подвижной платформы (VS - vehicle station), которая передаёт нагрузку точкам доступа (АР - access points) локальной беспроводной сети абонентов. Предлагаемая система позволяет предоставлять информационные услуги абонентам без перерывов связи [1].

Моделирование функционирования сети может быть осуществлено на физическом, канальном и сетевом уровнях, как показано на рис. 2.

Из глобальной сети информационный поток в виде IP-пакетов поступает на ZC согласно его IP-адресу. На канальном уровне принятый пакет инкапсулируется в кадры канального уровня посредством помехоустойчивого кодирования и сегментации.

Общим коммуникационная сен транспортной системы

Локальная се

Al An АР vs

1 * 4- *Т>

Мобильная платформа

/ ^ в Гг- IP -л

' Traite . 1

SüürC« i MAC VAC

1 PHY j PHY

i 1

| РШ I ИАС

Í PHY

fi

4F=

_L

кодирование

i

сегментация --------1

>нV ¡ шс '

PHY |

РЙУ] MAC РИГ j

мл с

PHY

- .

- •.

0. .

МАО ! ■ MAC ""РМУ'1 " fW •

j - l_

— 1

декодир.

Г

"fe-m

-f-

мобильная платформа

Рис. 1. Структурная схема для мобильного высокоскоростного доступа на примере железнодорожной транспортной системы

Рис. 2. Трёхуровневая модель реализации технологии MHS для железнодорожной

транспортной сети

На физическом уровне взаимодействие между репитерами и антеннами подвижной платформы может быть представлено как канал MIMO с использованием пространственно-временного кодирования Г2, 31, Ппи ОПГЯНИ-ЧЯМИИ свячи олня

^ Г --------- L э А --1--- " Г ~----------'---- --------------

ведущая антенна используется в транспортном средстве, чтобы передать сигнал маяка к ретрансляторам. Ретрансляторы, которые обнаруживают присутствие этого сигнала, передают свои уникальные опознавательные сигналы. Каждая антенна обнаруживает их существование и выполняет оценку подканала на каждом пробуждённом ретрансляторе. При этом каждая антенна может настраиваться независимо к ретранслятору, от которого поступил наиболее мощный сигнал.

На приёмной стороне в станции подвижной платформы осуществляется формирование пакета сетевого уровня и передача его абоненту согласно ír-адресу. С точки зрения сетевого уровня информационный поток между ZC и транспортным средством рассматривается как единственная прозрачная связь. Образуемые каналы могут рассматриваться как миогопутевая сеть, где повышение пропускной способности и вероятности безошибочного приёма могут быть достигнуты на основе многопутевой маршрутизацией [4, 5]. Модель передачи информации от зонального диспетчера к станции транспортного средства показана на рис. 3.

Как показано на рис. 3, М ретрансляторов размещены около транспортного средства и удалены друг от друга на расстояние dr, превышающее расстояние когерентности. N антенн транспортного средства размещены на расстоя-

нии da друг от друга. Самое короткое расстояние между ретранслятором и антенной подвижного объекта - с^.

Все М х N возможные подканалы подвержены постепенным и медленным замираниям, коэффициенты всех подканалов остаются постоянными на длительности одного фрейма. Предполагается, что в подканалах шум - аддитивный, белый гауссовский с постоянной шумовой мощностью N0. Коэффициент у-го канала описывается выражением (1).

d

(О

0

где а1} - распределённая случайная райсианов-ская переменная, которая представляет огибающую сложной гауссовской случайной переменной, отличной от нуля с фактором Райса К; с!^ - расстояние между ретранслятором 1 и антенной ]; к - образец потери тракта, иЬ0~ сигнальный уровень ослабления на ближнем справочном расстоянии с!0. Модель является соответствующей, потому что прямая видимость может наблюдаться во всех подканалах. Предполагается, что каждая антенна} может оценить ву для каждого ретранслятора \ без ошибки. Поскольку с1г и с1а больше, чем расстояние когерентности а5 всех подканалов, элементы матрицы характеристик каналов С=(Оу) взаимно независимы. Рассматриваемая совокупность взаимосвязанных ретрансляторов и антенн может быть представлена в виде полного взвешенного двудольного графа (рис.3). Антенны и ретрансляторы представлены двумя отдельными наборами вершин.

Репитеры

Gnm

двудольный граф

Рис. 3. Модель передачи информации от зонального диспетчера к станции транспортного средства

Радиолиния между каждой возможной парой антенны ретранслятора представлена ребром графа. Ребро инцидентно с вершинами различных наборов. Характеристика линии G,j определяется как вес ребра (ij). Выбор передачи с многократными радиолиниями среди всех пар антенны ретранслятора, с ограничением непосредственной связи в каждом ретрансляторе и антенне, определяется соответствием двудольного графа. Соответствие X из двудольного графа определяется следующим образом; множество рёбер X = {(i,j)}lsisMilsjsN, всё (ij) е X может

быть инцидентно на ретрансляторе i или антенне j только однажды. В матрице

Х = {(xij)}i<isM,i<j<N> xij =1» если связь между

ретранслятором i и антенной j определена к соответствию, и Xjj = 0, если связь не выбрана, при этом сумма каждого ряда или колонка матрицы X должны быть 0 или 1, чтобы рассматривать её как соответствующую матрицу. Каждый i-й репитер характеризуется мощностью передаваемого сигнала Pf и скоростью передачи г;. Если Pi =0, rf = 0, то репитер неактивен. Для множества репитеров определяется вектор мощности

Р = [Pj ]1<j<M и вектор скорости передачи информации г = [г; . Все образуемые беспроводные связи осуществляются на основе технологии DS/SSMA (direct sequence spread spectrum multiple access) - спектр распространения прямой последовательности с коллективным доступом [6]. В работе [1] отношение мощности сигнала к мощности помехи на приёме в (ij) линии определено выражением (2)

N0 +

Е Ч рк'

где - полоса пропускания системы; Г| - пропускная способность линии (\из множества X;

Р, - мощность сигнала ретранслятора ¡; N0 -мощность шума в канале.

Для обеспечения требуемого качества связи необходимо, чтобы выполнялось условие (3).

г; > г

lj — ДОП.

(3)

— I f > • • •

Тогда пропускная способность системы [1] определяется выражением (4).

R

У

доп

system

w

Ь

(iJ)eX

> У ij — /'доп

(4)

Вывод

Таким образом, из-за широких возможностей технологии MHS рекомендуется реализовывать её для железнодорожных транспортных систем. Моделирование функционирования сети может быть осуществлено на физическом, канальном и сетевом уровнях. Предлагаемая система позволяет предоставлять информационные услуги абонентам без перерывов связи. Также в данной статье приведены формулы, позволяющие вычислять пропускную способность данной системы, необходимую для нормального функционирования локальной сети.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Daniel, Н. Information Raining and Optimal Link-Layer Design for Mobile Hotspots / H. Daniel, V. Shahrokh // IEEE Transaction on mobile computing- vol.4, № 3. - may/june, 2005. - P. 271-283.

2. Tarokh, V. Space-Time Codes for High Data Rate Wireless Communication: Performance Criterion and Code Construction / V. Tarokh, N. Sesha-dri, A. R. Calderbank // IEEE Trans. Information Theory - vol. 44, Mar., 1998. - P. 744-765.

3. Tarokh, V. Combined Array Processing and Space-Time Coding / V. Tarokh, A. Naguib, N. Se-shadri, A. R. Calderbank //IEEETrans. Information Theory - vol. 45,. May 1999. - P. 1121-1128.

4. Tsirigos, A. Multipaih Routing in the Presence of Frequent Topological Changes /А. Tsirigos, Z.J. Haas // IEEE Comm. Magazine - vol. 39, Nov., 2001.-P. 132-138.

5. Djukic, P. Optimum Resource Allocation in Multipath Ad Hoc Networks /Р. Djukic, MASc thesis, Univ. of Toronto, Toronto, Canada, Aug., 2003.

Назаров Сергей Николаевич, докторант кафедры «Телекоммуникации» УлГТУ. Аверьянов Евгений Сергеевич, аспирант УВАУГА (И).

Касеева Наталья Андреевна, курсант УВАУ ГА (И).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Решение задач распределения телекоммуникационных ресурсов для локальных сетей на подвижных платформах»