Особенности функционирования территориально распределенных самоорганизующихся сетей радиосвязи с адаптивными антенными системами

Особенности функционирования территориально-распределенных самоорганизующихся сетей радиосвязи с адаптивными антенными системами

Фокин Г.А.,

инженер отдела развития ОАО "Гипросвязь СПб", аспирант СПбГУТ

Интерес к распределенным сетям радиосвязи, организованным по принципу "равный с равным" (ad-hoc сеть), зародился во второй половине прошлого века. Главной особенностью этих сетей является децентрализованная схема организации радиосвязи на территории, где использование фиксированной связной инфраструктуры нецелесообразно или невозможно. На протяжении последних десятилетий интерес к этой проблематике возрастал, о чем свидетельствуют многочисленные публикации [1-4] и формирование рабочей группы MANET (Mobile Ad-hoc Networks) по мобильным ad-hoc сетям в составе специальной комиссии IETF (Internet Engineering Task Force). Масштабы проектов, где востребованы мобильность и сетевая самоорганизация, выросли до уровня локальных (LAN) и городских (MAN) сетей, легко интегрируемых в глобальные сети (WAN).

В настоящее время для построения территориально-распределенных самоорганизующихся сетей радиосвязи используются стандарты IEEE 802.11 (a,b,g), работающие по принципу контроля несущей с предотвращением коллизий CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance). Радиостанции работают со всенаправленными антеннами в общем диапазоне частот на базе технологии TDM (Time Division Multiplex) и ведут передачу в режиме распределенного управления доступом к разделяемой среде DCF (Distributed Coordination Function). Процесс передачи в режиме DCF складывается из обмена четырьмя кадрами: запрос на передачу (RTS), разрешение на передачу (CTS), передача пакета информации (DATA) и подтверждения успешной передачи (ACK).

Недостатком режима DCF в территориально-распределенных самоорганизующихся сетях радиосвязи со всенаправленными антеннами являются известные про-

блемы так называемых "скрытых" и "засвеченных" радиостанций [5]. Их происхождение следует из того, что образование полносвязной территориально-распределенной сети радиосвязи, как правило, невозможно в силу высокого уровня ослабления радиосигнала при распространении радиоволн.

При использовании направленных передач в территориально-распределенных самоорганизующихся сетях радиосвязи с адаптивными антенными системами известные проблемы "скрытых" и "засвеченных" радиостанций приобретают направленный характер [6-8].

Произведем сопоставительный анализ достоинств и недостатков применения адаптивных антенных систем в самоорганизующихся распределенных сетях радиосвязи и определим пути повышения эффективности их использования.

Рассмотрим проблемы направленных передач в режиме DCF на примерах, изображенных на рис. 1. Будем считать, что в режиме приема радиостанции принимают ненаправленно. Допустим, радиостанция A ведет направленную передачу информации радиостанции B. Тогда имеют место следующие ситуации.

"Направленно-засвеченная" радиостанция (рис. 1а). При передаче радиостанцией A информации радиостанции B, радиостанция C попадает в зону обслуживания радиостанции A и будет вынуждена откладывать передачу информации в направлении радиостанции D, хотя это нисколько не препятствует радиоприему B.

"Направленно-скрытая" радиостанция (рис. 1б). Радиостанция E находится вне зоны обслуживания радиостанции A, и считает среду свободной для передачи. Допустим, радиостанция E начнет передачу в направлении F В связи с тем, что радиостанция B попадает в зону обслуживания радиостан-

ции E, радиоприем на B будет искажен вследствие коллизии одновременных передач.

Несмотря на рассмотренные выше проблемы, пропускная способность территориально-распределенной самоорганизующейся сети радиосвязи с адаптивными антенными системами в базовом режиме DCF может быть увеличена при определенной ширине ДНА. На рис. 2 представлена зависимость нормированной пропускной способности C от ширины ДНА радиостанции в горизонтальной плоскости Q, при различном числе соседних радиостанций N [9]. Для сравнения пропускной способности направленных и ненаправленных передач на рис. 2 представлена нормированная пропускная способность для случая всенаправленных антенн.

Анализ графиков на рис. 2 позволяет сделать следующие выводы:

1. Без модификации базового режима DCF использование направленных передач позволяет увеличить пропускную способность при ширине ДНА радиостанции Q < 40°.

2. С увеличением количества радио-станций-соседей N пропускная способность уменьшается. Это отражает очевидное противоречие между связностью и пропускной способностью: чем больше радиостанций-соседей N находится в зоне обслуживания передающей радиостанции, тем реже ей следует вести передачу для соблюдения зон занятости радиоканала.

В рассмотренных на рис. 1 ситуациях направленных передач в режиме DCF мощность, излучаемая каждой радиостанцией, предполагалась одинаковой.

При использовании адаптивных антенных систем в направлении соседней станции формируется узконаправленный лепесток. При этом:

• Мощность передатчиков и чувствительность приемников концентрируется в более узком луче, и, следовательно, увеличивается дальность радиосвязи.

• Область интерференции одновременных передач уменьшается, и, следовательно, увеличивается пространственная избирательность радиосети.

Если мощность, излучаемая радиостанцией в режиме ненаправленной передачи равна направленно излучаемой мощности, то зоны обслуживания определяются равенством:

1 2п 1

Qd

где do — радиус зоны обслуживания в режиме ненаправленной передачи;

1

I

1 о 1

\ 5/

с-

а) "направленно-засвеченная" б) "направленно-скрытая"

радиостанция радиостанция

РИс. 1. Ситуации направленных передач в режиме DCF

Рис. 2. Зависимость нормированной пропускной способности С от ширины ДНА в горизонтальной плоскости О

в) передача с управлением направлением и мощностью излучения Рис. 3. Преимущества адаптации направления и мощности излучения

С(О) — дальность зоны обслуживания в режиме направленной передачи;

О — ширина ДНА в горизонтальной плоскости;

а — показатель затухания.

Из соотношения (1) можно определить дальность зоны обслуживания в режиме направленной передачи:

d (Q )= d0

2п

~Q

\V a

С точки зрения уменьшения зон занятости радиоканала, а, следовательно, повышения пропускной способности, использование одинаковых мощностей приводит к недоиспользованию возможностей пространственной избирательности в разделяемой среде передачи. Оценим возможность уменьшения зон занятости радиоканала за счет управления направлением и мощностью излучения на примерах, изображенных на рис. 3.

Рассмотрим случай, когда а = 4, О = 10°. Тогда по формуле (2) можно определить зоны занятости радиоканала Б, изображенные на рис. 3. Из рис. 3в видно, что при адаптации направления и мощности излучения можно существенно (в десятки раз) локализовать зоны занятости радиоканала,

и, таким образом, увеличить пропускную способность. Дополнительное преимущество управления направлением и мощностью излучения заключается в скрытности радиосредств.

Таким образом, для реализации возможностей пространственной избирательности, предоставляемых адаптивными антенными системами, на уровне доступа к среде передачи радиостанциям следует:

• обнаруживать соседей, число которых не превышает значения Nmin, минимально-необходимого для связности радиосети;

• устанавливать в процессе приема кадров запроса на передачу RTS и ответа на передачу CTS такую мощность направленной передачи Pmin, которая необходима для радиопокрытия не более одной соседней радиостанции.

Литература

1. M. Sanchez, T. Giles, and J. Zander,

CSMA/CA with Beam Forming Antennas in MultiHop Packet Radio // in Proceedings of the Swedish Workshop on Wireless Ad Hoc Networks, March 2001.

2. M. Takai, J. Martin, A. Ren, and R. Bagrodia,

Directional Virtual Carrier Sensing for Directional

Antennas in Mobile Ad Hoc Networks //in Proceedings of ACM MOBIHOC, Lausanne, Switzerland, June 2002.

3. A. Nasipuri, S. Ye, and R. E. Hiromoto, A

MAC Protocol for Mobile Ad Hoc Networks Using Directional Antennas // in Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2000.

4. Y. B. Ko and N. H. Vaidya, Medium Access Control Protocols Using Directional Antennas in Ad Hoc Networks," in Proceedings of IEEE INFOCOM, March 2000.

5. Hekmat R. Ad-Hoc Network: Fundamental properties and network topologies // Springer, 2006.

6. R. Ramanathan, On the Performance of Ad Hoc Networks with Beamforming Antennas // Proceedings of ACM MobiHoc, Long Beach, CA, October 2001.

7. R. R. Choudhury, X. Yang, R. Ramanathan, and N. Vaidya, Using Directional Antennas for Medium Access Control in Ad Hoc Networks // in Proceedings of ACM MOBICOM, Atlanta, Georgia, September 2002.

8. R. Ramanathan, Antenna Beamforming and Power Control for Ad Hoc Networks // Mobile Ad Hoc Networks, IEEE Press, 2004.

9. Y. Wang and J. J. Garcia-Luna-Aceves, Collision Avoidance in Single-Channel Ad Hoc Networks Using Directional Antennas // in Proc. of IEEE Intl. Conf. on Distributed Computing Systems (ICDCS '03), May 2003.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК ИНФОРМАЦИОННЫЕ И

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

РЕГИОНАЛЬНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

XXIV-я международная конференция "Развитие инфокоммуникационного и информационного права в России, странах СНГ и ЕС"

Российская Академия естественных наук (РАЕН) и его отделение "Информационные и телекоммуникационные технологии" (ИТТ) проводит более 10 лет международные конференции по актуальным вопросам развития инфокоммуникаций с приглашением ведущих ученых и специалистов России, стран СНГ и Европы (www.raenitt.ru).

В период с 8 по 11 апреля 2009 г. в г. Вена (Австрия) в конгресс-центре отеля Parkhotel Schoenbrunn 4*

состоится XXIV-я международная конференция "Развитие инфокоммуникационного и информационного права в России, странах СНГ и ЕС", организуемая ИТТ РАЕН совместно с Ассоциацией региональных операторов связи (АРОС), Ассоциацией CDMA, Казахской академией инфокоммуникаций (КАИ) и ЗАО "Современные Телекоммуникации".

На конференцию приглашены представители МСЭ, Европейского института стандартизации телекоммуникаций (ETSI), ведущих операторов фиксированной, сотовой и беспроводной связи, производители и поставщики программного обеспечения, контента и оборудования NGN/UMTS/WiMAX/DVB-H,-T, научных и консалтинговых организаций, инвесторы. В ходе работы секций конференции планируется рассмотреть актуальные аспекты совершенствования телекоммуникационного и информационного права, лицензирования и использования радиочастотного спектра, изменения правового поля в ходе конвергенции сетей и услуг NGN/UMTS/WiMAX и внедрения MVNO в условиях конкуренции между технологиями, вопросы регулирования требований к качеству услуг связи.

Приглашаем Вас принять участие в работе круглого стола и выступить с докладом. Тезисы для публикации в трудах конференции и журнале 'T-Comm" направляйте в адрес ИТТ РАЕН до 30 марта 2009 г. для Программного комитета конференции vtniir@mail.ru.