СПОСОБ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ Российский патент 2013 года по МПК H04L12/70 

Область техники

Изобретение относится к способу оценки остаточной пропускной способности для расчета остаточной пропускной способности в беспроводных ячеистых сетях.

Уровень техники

Беспроводная ячеистая сеть (известная специалистам как "wireless mesh network", WMN) представляет собой сеть связи (или передачи данных), состоящую из множества беспроводных узлов, в которой существуют по меньшей мере два маршрута для осуществления связи с каждым узлом. Инфраструктура беспроводной ячеистой сети состоит из точек доступа/маршрутизаторов, являющихся узлами сети, соединенных беспроводными каналами связи. Беспроводная ячеистая сеть соединяется с другими проводными сетями, такими как Интернет или корпоративные локальные сети, через ячейку-узел межсетевого шлюза. Беспроводная ячеистая архитектура является первым значительным шагом в направлении создания широкополосных беспроводных сетей с определенной зоной покрытия, поскольку она строится из равноправных радиоустройств, которые не нуждаются в кабельном подключении к проводному порту, как в случае традиционных беспроводных локальных сетей.

Ключевым шагом в обеспечении повышения качества обслуживания в развертываемых беспроводных ячеистых сетях (WMN) является оценка пропускной способности беспроводных сетевых каналов связи/маршрутов. Разница между пропускной способностью сетевых каналов связи/маршрутов и текущим трафиком системы определяет объем дополнительных запросов пользователей на обслуживание, который сможет быть дополнительно удовлетворен при данных условиях. Эта разница известна как остаточная пропускная способность и рассматривалась ранее в данной области техники в контексте децентрализованных беспроводных динамических сетей (известных специалистам как "wireless ad hoc networks").

Одним из основных факторов, сдерживающих развитие и широкомасштабное использование беспроводных ячеистых сетей (WMN), является отсутствие способа точной оценки возможностей по обработке трафика, легко реализуемого в узлах сети. Беспроводные ячеистые сети (WMN) используют беспроводные каналы на основе стандарта 802.11, конкурирующие за совместно используемый радиочастотный ресурс. При этом на осуществление связи по этим каналам влияют динамически изменяющиеся воздействия, такие как внешние помехи, конфликты и ухудшение характеристик радиоканала. При таких условиях значительно труднее спрогнозировать, какой объем трафика сможет обработать беспроводный канал в дополнение к имеющейся нагрузке (в сравнении с проводной линией). Таким образом, точная оценка наличествующих возможностей по обработке трафика (формально называемых в данной области техники "остаточной пропускной способностью") для беспроводных каналов является очень важной для эффективной маршрутизации и управления ресурсами в беспроводных ячеистых сетях (WMN).

Основной способ доступа согласно стандарту IEEE 802.11 использует так называемую "функцию распределенной координации" (известна специалистам как "Distributed Coordination Function", DCF), в его основе лежит принцип многостанционного доступа с контролем несущей и предотвращением конфликтов (известен специалистам как "Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance", CSMA/CA). Существуют два фундаментальных подхода к решению задачи оценки остаточной пропускной способности в беспроводных сетях: 1) активный ("с вмешательством"); и 2) пассивный ("без вмешательства") способы. В активных способах посылают зондирующие пакеты для изучения характеристик канала связи или для "насыщения" беспроводных каналов связи с последующей оценкой остаточной пропускной способности по изменению задержки, возникающей в точке насыщения. Другим способом является введение так называемых пакетов "HELLO" в трафик соседнего узла [3]. Эти пакеты транспортируют локально-наличествующую информацию о пропускной способности в другие узлы, так что могут быть выяснены уровни конкуренции, которые впоследствии используются для оценки остаточной пропускной способности. Основным недостатком активных способов являются присущие им значительные непроизводительные накладные расходы, обусловленные введением дополнительных служебных пакетов.

Пассивные методы оценки остаточной пропускной способности не предполагают "вмешательства" в работу системы, в том смысле, что никакие дополнительные зондирующие пакеты в систему не вносятся. Один из применяемых в данной области техники способов называется "прослушиванием". Он основан на прослушивании активности в канале для определения коэффициента бездействия канала. Этот коэффициент корректируется с использованием сглаживающей константы, или весового коэффициента, необходимого для недопущения завышения оценки, учитывающего отсрочки в передаче и конфликты. Скорректированный таким образом коэффициент бездействия умножается на физическую скорость передачи данных для получения остаточной пропускной способности. Однако в силу свойств беспроводных сетей стандарта 802.11 эмпирическое определение весового коэффициента приводит к значительным погрешностям оценки. В основе другой пассивной методики, называемой "измерением времени" [6], лежит измерение времени, затрачиваемого на успешную доставку пакета данных. Измеренная задержка затем нормализуется с учетом размера пакета, и ее обратное значение принимается за остаточную пропускную способность. Однако данная методика не моделирует изменений в динамических характеристиках системы при приближении к состоянию насыщения. Соответственно, эта методика не позволяет учитывать эффекты снижения пропускной способности вследствие межканальной и межпотоковой конкуренции.

Краткое изложение сущности изобретения

Целью изобретения является разработка способа оценки остаточной пропускной способности, легко реализуемого в узлах сети и обеспечивающего корректную оценку возможностей по обработке трафика.

Подробное описание изобретения

Способ оценки остаточной пропускной способности, предлагаемый для решения задачи изобретения, проиллюстрирован прилагаемой графической фигурой, где

Фиг.1 представляет собой блок-схему способа оценки остаточной пропускной способности.

В способе оценки остаточной пропускной способности, являющемся предметом изобретения, измеряют сетевую активность и получают соответствующую статистику по работе сети путем использования присущей беспроводным узлам способности (происходящей из природы протокола 802.11) получения/прослушивания сообщений подтверждения DATA-ACK, передаваемых по радиоканалу, однако не предназначенных для данных узлов. В предлагаемом способе остаточную пропускную способность беспроводного канала рассчитывают с применением аналитических методик оценки. Когда остаточная пропускная способность по результатам соответствующих расчетов оценена, возможно принятие более эффективных решений по маршрутизации с учетом пропускной способности (например, каналу с большей остаточной пропускной способностью следует отдавать предпочтение при принятии решений по маршрутизации) и/или возможно прогнозирование доступности для процесса управления установлением соединений для потоков (например, разрешение нового потока только в случае наличия достаточной доступной остаточной пропускной способности маршрута).

Способ оценки остаточной пропускной способности (1) включает следующие операции:

вычисление вероятности отказа в доставке вследствие ухудшения характеристик основного канала связи, количества конкурирующих каналов связи и количества успешных доставок пакетов за единицу времени на конкурирующих каналах связи (101),

вычисление вероятности отказа на основном канале связи с использованием методики, основывающейся на времени бездействия (102),

вычисление вероятности отказа на основном канале связи исходя из наблюдаемых конфликтов (103),

сравнение упомянутых вероятностей отказа на основном канале связи, полученных с использованием методики, основывающейся на времени бездействия, и исходя из наблюдаемых конфликтов (104),

использование в качестве гипотетического уровня трафика количества доставок пакетов на основном канале связи, при котором упомянутые вероятности отказа, вычисленные на основном канале связи с использованием методики, основывающейся на времени бездействия, и исходя из наблюдаемых конфликтов, равны друг другу (105), и расчет остаточной пропускной способности (107),

увеличение количества доставок пакетов на основном канале связи и возврат к операции 102 в случае, если упомянутые вероятности отказа, вычисленные на основном канале связи с использованием методики, основывающейся на времени бездействия, и исходя из наблюдаемых конфликтов, не равны друг другу (106).

В способе оценки остаточной пропускной способности по данному изобретению вероятность отказа вследствие ухудшения характеристик основного канала связи вычисляют с использованием вероятности конфликтов на основном канале связи, вычисленной с использованием измерений на узле-источнике основного канала связи и общего расчетного коэффициента доставки пакетов. Это обусловлено тем, что отказы в доставке пакетов объясняются конфликтами на основном канале связи, эффектами, вызванными влиянием скрытых узлов, и ухудшением характеристик канала. Помимо этого, количество конкурирующих каналов связи и количество успешных доставок пакетов за единицу времени на конкурирующих каналах связи подсчитывают путем прослушивания пакетов подтверждения DATA-ACK передающим узлом основного канала связи в течение периода обновления, который используется для выполнения измерений на узле-источнике основного канала связи. Во время выполнения данного процесса измерений пакеты DATA-ACK сортируются в соответствии с адресами их узла-источника и узла-адресата. Коэффициенты отказов в доставке по конкурирующим каналам связи, обусловленных ухудшением характеристик каналов, вводятся в качестве дополнительной информации в пакеты "HELLO", используемые в протоколах уровня 3, и периодически отсылаются на соседние узлы.

Соответственно, основной канал связи определяет коэффициенты отказов в доставке по причине ухудшения характеристик конкурирующих каналов связи, использующих вместе с ним один и тот же разделяемый ресурс, из содержимого пакетов "HELLO", получаемых его передающим узлом.

Согласно процедуре DCF по стандарту 802.11, все доступные временные ресурсы основного канала связи используются или для отсроченной (например, вследствие конфликтов) передачи, или для доставки пакетов основного канала связи, или для доставки пакетов конкурирующего канала связи, когда на данном канале случается насыщение. Для оценки вероятности отказа в доставке пакета на основном канале связи в гипотетической точке насыщения использована модель с разделением времени, согласно которой предполагается, что основной канал связи работает на уровне точки насыщения, а конкурирующие каналы связи - ниже уровня насыщения. В рамках предлагаемой модели используются размер посылаемых пакетов в сети (в битах), физическая скорость канала (в бит/с) и стандартные параметры механизма экспоненциальной отсрочки передачи по стандарту 802.11. В предпочтительном варианте для оценки частоты отказов в доставке пакетов основного и конкурирующих каналов связи в гипотетической точке насыщения в модель также могут быть включены вероятности отказа в доставке пакетов под влиянием скрытого узла. Помимо этого, для оценки вероятности отказа в доставке пакетов основного канала связи в гипотетической точке насыщения с использованием вероятностей успешной передачи пакетов основного канала связи в точке насыщения и вероятностей конфликта под влиянием скрытого узла используется динамическая модель с конфликтами, в которой учтены вероятности успешной передачи пакетов конкурирующих каналов связи путем объединения соответствующего стандарту 802.11 гибкого поведения после задержки для ненасыщенных конкурирующих каналов связи с принципами теории массового обслуживания. Для оценки вероятности отказа в доставке в гипотетической точке насыщения для основного канала данная альтернативная модель также использует вероятность отказа в доставке пакета основного канала связи, количество конкурирующих каналов связи и количество успешных доставок пакетов на конкурирующих каналах связи за единицу времени.

Вероятность отказа в доставке пакетов основного канала связи учитывается как в модели с разделением времени, так и в динамической модели с конфликтами, поскольку вероятности конфликтов (вследствие конкуренции за разделяемый канал связи или влияния скрытого узла) динамически увеличиваются или уменьшаются в зависимости от величины трафика в основном канале связи. Коэффициенты отказов в доставке пакетов, вызванных отказами в канале, не зависят от трафика и, соответственно, не увеличиваются. Таким образом, в гипотетической точке насыщения основной канал связи имеет определенную вероятность отказа в доставке пакетов, учитывающую текущие условия и характеристики трафика. Соответственно, оценки вероятностей отказа в доставке для основного канала связи в обеих моделях, использующих независимые методики, должны "сходиться" к одному и тому же значению при гипотетическом увеличении трафика на основном канале связи. Когда основной канал связи будет находиться в состоянии насыщения, в точке, в которой происходит упомянутое выше "схождение", максимальный объем успешных доставок пакетов в насыщенном основном канале связи может быть успешно спрогнозирован, как равный гипотетическому уровню трафика на основном канале связи в точке "схождения".

Согласно предложенному способу, вкратце, количество успешных доставок пакетов в основном канале связи гипотетически увеличивают, и оценки вероятности конфликта, полученные в модели с разделением времени для основного канала связи и в модели с конфликтами между основным каналом и конкурирующими каналами связи, предположительно должны сходиться к одному и тому же значению. Соответственно, максимально допустимое количество успешных передач пакетов на основном канале связи оценивается как гипотетический уровень трафика в точке, в которой заканчивается данный способ. Оценка остаточной пропускной способности основного канала связи рассчитывается с помощью вычисления разницы между полученным уровнем трафика на основном канале связи при упомянутом максимально допустимом количестве и существующим реальным уровнем трафика на основном канале связи.

Предлагаемый настоящим изобретением способ оценки остаточной пропускной способности может быть применен в построенных на основе протокола 802.11 беспроводных локальных (с передачей без использования промежуточных узлов, что известно специалистам как "single-hop") и беспроводных ячеистых (с передачей через промежуточные узлы, что известно специалистам как "multiple-hop") сетях. Кроме того, данный способ может быть использован для оценки трафика в построенных на основе протокола 802.11 беспроводных локальных (с передачей без использования промежуточных узлов, что известно специалистам как "single-hop") и беспроводных ячеистых (с передачей через промежуточные узлы, что известно специалистам как "multiple-hop") сетях.

Варианты реализации предложенного настоящим изобретением способа оценки остаточной пропускной способности могут быть различными; объем изобретения не может быть ограничен приведенными примерами. Объем изобретения определен формулой изобретения.

Изобретение относится к способу оценки остаточной пропускной способности для расчета пропускной способности в беспроводных ячеистых сетях. Техническим результатом является повышение точности оценки возможностей по обработке трафика. В способе оценки остаточной пропускной способности, являющемся предметом изобретения, измеряют сетевую активность и получают соответствующую статистику по работе сети путем использования присущей беспроводным узлам способности (происходящей из природы протокола 802.11) получения/прослушивания сообщений подтверждения DATA-ACK, передаваемых по радиоканалу, однако не предназначенных для данных узлов. В предлагаемом способе остаточную пропускную способность беспроводного канала рассчитывают с применением аналитических методик оценки. Когда остаточная пропускная способность по результатам соответствующих расчетов оценена, возможно принятие более эффективных решений по маршрутизации с учетом пропускной способности (например, каналу с большей остаточной пропускной способностью следует отдавать предпочтение при принятии решений по маршрутизации) и/или возможно прогнозирование доступности для процесса управления установлением соединений для потоков (например, разрешение нового потока только в случае наличия достаточной доступной остаточной пропускной способности маршрута). 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ оценки остаточной пропускной способности (1), отличающийся тем, что включает следующие операции:
вычисление вероятности отказа в доставке вследствие ухудшения характеристик основного канала связи, количества конкурирующих каналов связи и количества успешных доставок пакетов за единицу времени на конкурирующих каналах связи (101),
вычисление вероятности отказа на основном канале связи, исходя из времени бездействия (102),
вычисление вероятности отказа на основном канале связи, исходя из наблюдаемых конфликтов (103),
сравнение упомянутых вероятностей отказа на основном канале связи, полученных, исходя из времени бездействия и исходя из наблюдаемых конфликтов (104),
использование в качестве гипотетического уровня трафика количества доставок пакетов на основном канале связи, при котором упомянутые вероятности отказа, вычисленные на основном канале связи, исходя из времени бездействия и исходя из наблюдаемых конфликтов, равны друг другу (105), и расчет остаточной пропускной способности (107),
увеличение количества доставок пакетов на основном канале связи и возврат к операции (102) в случае, если упомянутые вероятности отказа, вычисленные на основном канале связи, исходя из времени бездействия и исходя из наблюдаемых конфликтов, не равны друг другу (106).

2. Способ оценки остаточной пропускной способности (1) по п.1, отличающийся тем, что при вычислении вероятности отказа на основном канале связи, исходя из времени бездействия, использована модель с разделением времени.

3. Способ оценки остаточной пропускной способности (1) по п.1, отличающийся тем, что при вычислении вероятности отказа на основном канале связи, исходя из наблюдаемых конфликтов используют коэффициент динамики конфликтов.

4. Способ оценки остаточной пропускной способности (1) по п.1, отличающийся тем, что остаточную пропускную способность рассчитывают (107) с помощью вычисления разницы между полученным уровнем трафика на основном канале связи при максимально допустимом количестве успешных передач пакетов на основном канале и существующим реальным уровнем трафика на основном канале связи.

5. Способ оценки остаточной пропускной способности (1) по п.1, который может быть использован для оценки трафика в построенных на основе протокола 802.11 беспроводных локальных (с передачей без использования промежуточных узлов) сетях.

6. Способ оценки остаточной пропускной способности (1) по любому из пп.1-4, который может быть применен в построенных на основе протокола 802.11 беспроводных локальных (с передачей без использования промежуточных узлов) сетях.

7. Способ оценки остаточной пропускной способности (1) по любому из пп.1-4, который может быть использован для оценки трафика в построенных на основе протокола 802.11 беспроводных ячеистых (с передачей с использованием промежуточных узлов) сетях.

8. Способ оценки остаточной пропускной способности (1) по любому из пп.1-4, который может быть применен в построенных на основе протокола 802.11 беспроводных ячеистых (с передачей с использованием промежуточных узлов) сетях.