СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДОСТУПОМ К БЕСПРОВОДНОМУ КАНАЛУ
METHOD OF CONTROLLING ACCESS TO WIRELESS CHANNEL

Изобретение относится к сетям радиосвязи и может быть использовано для уменьшения времени передачи пользовательской информации.
Известен способ управления доступом к беспроводному каналу TDMA от узлов (RN) (relay node), развернутых как сеть с линейной или древовидной топологией, для передач с множеством ретрансляционных участков восходящей линии связи от запрашивающего узла к централизованному узлу (BS) (base station) и/или в нисходящей линии связи от централизованного узла (BS) в направлении конечного узла (RN) [заявка РФ 2008103829, МПК H04L 12/28, H04W 72/00, от 29.06.2006]. В данном способе управления доступом канал TDMA разделяют на кадры, каждый кадр разделяют на подкадр управления и подкадр, предназначенный для передачи данных, каждый подкадр, предназначенный для передачи данных, разделен на две непрерывные части, первая из которых предназначена для трафика нисходящей линии связи, а вторая предназначена для трафика восходящей линии связи, в пределах части трафика нисходящей линии связи узел (BS, RN), более близкий к централизованному узлу (BS), обслуживают перед узлом, более удаленным, а в пределах части трафика восходящей линии связи принимают обратный порядок передачи.
Недостатком описанного способа является передача всей пользовательской информации через (BS), что делает сеть чувствительной к выходу из строя (BS). Описанный способ также не предусматривает работу в режиме конкурентного доступа, что ограничивает возможности по адаптации к изменяющейся интенсивности входного потока заявок.
Известен способ управления доступом к беспроводному каналу связи [заявка РФ 2008146852, МПК H04W 74/04 от 01.05.2007]. В данном способе базовая станция содержит планировщик, выполненный с возможностью осуществления планирования с фиксированным предоставлением ресурсов для передачи данных в заданные временные интервалы, и блок формирования информации планирования, выполненный с возможностью формирования информации планирования, а также с возможностью передачи информации планирования заданной мобильной станции при осуществлении планирования с фиксированным предоставлением ресурсов, при этом информация планирования включает в себя информацию предоставления ресурсов, которая указывает радиоресурс, предоставляемый заданной мобильной станции в заданные временные интервалы при планировании с фиксированным предоставлением ресурсов.
Недостатком такого способа управления доступом к беспроводному каналу связи является невозможность адаптации сети к меняющейся интенсивности входного потока заявок от пользователей сети, концентрация функций управления распределением радиоресурса в базовой станции делает сеть чувствительной к выходу из строя базовой станции.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ управления доступом к среде согласно стандарту 802.11 [Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации // М.: Техносфера, 2005 - 592 с. (стр.446-452)]. В данном способе уровень MAC (Media Access Control) обеспечивает распределенный режим DCF (Distributed coordination function) и централизованный режим PCF (Point coordination function) доступа к разделяемой среде; вся информация передается кадрами, состоящими из интервалов управляемого и конкурентного доступа; на интервале управляемого доступа реализуется режим доступа PCF, который используется при передаче чувствительной к задержкам информации; БС (базовая станция) выполняет процедуру опроса, в процессе которой определяет станции, имеющие заявки на передачу информации, чувствительной к задержкам, и поочередно предоставляет им необходимый для этого временной ресурс в виде специального кадра, после получения которого станция, направившая заявку на передачу информации, чувствительной к задержкам, отвечает другим кадром, в котором подтверждает прием специального кадра и одновременно передает данные, при этом нечувствительная к задержкам информация передается на интервале конкурентного доступа.
Недостатком данного способа является невозможность адаптироваться к изменениям трафика.
Для того чтобы какая-то доля ресурса всегда оставалась для передачи информации, нечувствительной к задержкам, длительность интервала управляемого доступа ограничена. После его окончания начинается интервал конкурентного доступа. Если интенсивность заявок на передачу информации, чувствительной к задержкам, мала, то большая часть ресурса оказывается выделенной для конкурентного доступа, что приводит к возникновению коллизий и, как следствие, увеличению времени ожидания.
Задача настоящего изобретения состоит в исключении коллизий за счет управляемого распределения ресурса, выделенного для использования на конкурентной основе при имеющейся интенсивности заявок.
Технический результат изобретения заключается в уменьшении времени передачи пользовательской информации в беспроводной сети.
Технический результат достигается тем, что в способе управления доступом к беспроводному каналу, включающем обеспечение уровнем MAC распределенного режима DCF и централизованного режима PCF доступа к разделяемой среде; передачу всей информации кадрами, состоящими из интервалов управляемого и конкурентного доступа; реализацию на интервале управляемого доступа режима доступа PCF, используемого при передаче чувствительной к задержкам информации; выполнение базовой станцией процедуры опроса, в процессе которой определяются станции, имеющие заявки на передачу информации, чувствительной к задержкам, и поочередное предоставление таким станциям необходимого для этого временного ресурса в виде специального кадра, после получения которого станция, направившая заявку на передачу информации, чувствительной к задержкам, отвечает другим кадром, в котором подтверждает прием специального кадра и одновременно передает данные, согласно изобретению в процессе процедуры опроса базовая станция также определяет станции, имеющие заявки на передачу информации, нечувствительной к задержкам, и предоставляет части таких станций доступ к беспроводному каналу в режиме PCF, а остальные станции передают информацию, нечувствительную к задержкам в режиме DCF.
Предложенный способ позволяет адаптировать сеть к меняющейся интенсивности входного потока заявок посредством динамического управления долями управляемого и конкурентного доступа в кадре. Для этого на основе имеющихся заявок от станций определяется оптимальное, с точки зрения минимизации времени передачи пользовательской информации, соотношение длительности и распределение нагрузки между интервалами управляемого и конкурентного доступа. На основе рассчитанных значений длительности и нагрузки в интервалах управляемого и конкурентного доступа в режиме PCF передается часть информации, нечувствительной к задержкам.
На фиг.1 представлены циклы работы сети в режимах с концентрированным (PCF) и распределенным (DCF) управлением.
На фиг.2 схематически изображен кадр, сочетающий интервалы управляемого и конкурентного доступа.
На фиг.3 представлена зависимость времени передачи информации от соотношения между интервалами управляемого и конкурентного доступа в кадре при значениях λ≤1.
На фиг.4 представлена зависимость времени передачи информации от соотношения между интервалами управляемого и конкурентного доступа в кадре при значениях λ>1.
На фиг.5 представлена схема алгоритма работы способа управления доступом к беспроводному каналу.
Предлагаемый способ доступа к беспроводному каналу осуществляется следующим образом. АС (абонентские станции) передают заявки на выделение ресурса (частотного, временного) на БС. БС анализирует запросы, содержащие тип и приоритет трафика, затем выделяет временные интервалы в интервале управляемого доступа для передачи информации, чувствительной к задержкам, и для передачи данных с высоким приоритетом. Используя информацию об уже имеющейся занятости интервала управляемого доступа и информацию об интенсивности заявок от каждой АС, БС вычисляет оптимальное, с точки зрения минимизации времени передачи пользовательской информации, соотношение длительности и распределение нагрузки между интервалами управляемого и конкурентного доступа (фиг.2) и предоставляет пользователям право на использование среды.
Для определения оптимального, с точки зрения минимизации времени передачи пользовательской информации, соотношения между интервалами управляемого и конкурентного доступа на основе поступивших заявок последовательно оценивается время передачи пользовательской информации при соотношении между интервалами управляемого и конкурентного доступа 1:20, затем 2:20, 3:20 и так далее с шагом 5% от размера кадра. На основе полученной информации определяется оптимальное соотношение между интервалами управляемого и конкурентного доступа, которое корректируется с учетом требования передачи чувствительной к задержкам информации на интервале управляемого доступа путем резервирования части интервала управляемого доступа для передачи информации, чувствительной к задержкам.
Время передачи пользовательской информации может быть вычислено на основе методов теории систем массового обслуживания (Сидоров Ю.В., Сухоруков М.Ю., Сухоруков Ю.С. Модели и анализ сетей радиосвязи // ОАО «Концерн «Созвездие», Воронеж, 2008 - 147 с. (стр.93-97)).
Для вычисления времени передачи пользовательской информации в качестве исходных данных задаются:
- объем передаваемой информации;
- число каналов;
- число ретрансляторов;
- число абонентов;
- интенсивность входного потока заявок от абонента;
- канальная скорость;
- длительность кадра.
в
ос
нп
с
Примем, что длительность всех сигнальных сообщений (сигнал вызова Т, ответный сигнал Т, сигнал на начало передачи Т) одинакова и равна Т.
в
ос
нп
с
Т=Т=Т=Т
Одинаково также время обработки сигналов в узлах.
и
Тогда время передачи сообщения Т равно:
и
с
сс
об
ож
Т=3Т+Т+3Е(Т)+Е(Т),
сс
об
ож
ож
где Т - время сообщения о соединении, Е(Т) - время обработки в узле А, Е(Т) - время ожидания, причем все параметры, кроме Е(Т), являются технически определенными.
ож
При расчете параметра Е(Т) используется N-линейная модель поступления и обслуживания вызовов типа M/M/N, где N - число линий. Данная модель является моделью массового обслуживания с интенсивностью обслуживания, зависящей от состояния системы n:
n
µ=nµ при n<N;
n
µ=Nµ при n≥N,
где µ - интенсивность обслуживания.
Уравнение стационарного распределения вероятностей состояния имеет вид
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>μ</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi>P</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
N
Параметр относительной нагрузки на канал ρ выражается отношением λ/µN, где λ - интенсивность входного потока.
0
Параметр P находится из условия нормировки:
<mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>∞</mi></munderover><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><msub><mrow /><mi>n</mi></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow></mstyle></mrow>
При n<N и n>N получим в результате соответствующих преобразований
<mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><mfrac><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>N</mi><msub><mi>ρ</mi><mi>N</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>n</mi></msup></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>!</mo></mrow></mfrac></mrow></mstyle><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>N</mi></msub></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>N</mi><msub><mi>ρ</mi><mi>N</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>N</mi></msup></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>!</mo></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow>
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>N</mi></msub></mrow></mfrac><mo>></mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mi>μ</mi><mi>N</mi></mrow></mfrac><mo><</mo><mn>1</mn></mrow>
В данной формуле
, соответственно
. Из неравенства видно, что отношение интенсивности входного потока к интенсивности обслуживания должно быть меньше числа линий
<mrow><mfrac><mi>λ</mi><mi>μ</mi></mfrac><mo><</mo><mi>N</mi></mrow>
ож
Время ожидания Е(Т) целесообразно определить через промежуточный параметр - вероятность задержки, которая численно равна вероятности того, что в системе находится не менее N вызовов, и выражается формулой Эрланга второго рода:
<mrow><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>з</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mi>N</mi></mrow><mi>∞</mi></munderover><mrow><msub><mi>P</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>N</mi></msub><mi>N</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>N</mi></msup></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>N</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>N</mi><mo>!</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>N</mi><mi>N</mi></msup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>N</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>N</mi></msup></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>!</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>N</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><mi>Е</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>о</mi><mi>ж</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>μ</mi></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>Е</mi><mrow><mn>2</mn><mo>,</mo><mi>N</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>A</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>A</mi></mrow></mfrac></mrow>
тогда
,
2,N
зд
2,N
где A - общая нагрузка в Эрлангах на канал, E(A) - функция Эрланга второго рода (Р=E(A)).
ож
зн
В формуле для Е(Т) неизвестным является параметр µ -интенсивность обслуживания. При коммутации пакетов параметр µ определяется длительностью пакетов, при коммутации каналов и использовании линий речевого канала для передачи управляющих сигналов - общим временем занятия линии (Т) для передачи сообщения и сигналов установления соединения.
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>μ</mi></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>з</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow>
Учитывая то, что передача различных сигнальных сообщений не занимает много времени, время занятия канала будет определяться в основном длительностью передачи информационного сообщения.
Соответственно, формула для времени передачи информации будет иметь вид
<mrow><msub><mi>Т</mi><mi>и</mi></msub><mo>=</mo><mn>3</mn><msub><mi>Т</mi><mi>с</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>с</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn>3</mn><mi>Е</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>з</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>Е</mi><mrow><mn>2</mn><mo>,</mo><mi>N</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>A</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>A</mi></mrow></mfrac></mrow>
.
бс
Полученная формула верна для сетей с коммутацией каналов. При оценке сети, использующей предложенный способ управления доступом к беспроводному каналу, необходимо также учитывать обмен сообщениями запроса и ответа на выделение ресурса между базовой и абонентской станциями (Т). Для передачи служебных сообщений выделяется отдельный канал с конкурентным доступом к среде, что позволяет реализовать функцию самоорганизации сети. При оценке задержек необходимо использовать формулы для пакетных сетей.
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>Е</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mi>з</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mi>о</mi></msub></mrow>
,
з
о
где Т - время передачи запроса от абонента на выделение ресурса, Т - время передачи ответного сообщения базовой станцией.
В результате конечная формула для оценки времени передачи информации в сети, использующей предложенный способ управления доступом к беспроводному каналу, будет иметь следующий вид:
<mrow><msub><mi>Т</mi><mi>и</mi></msub><mo>=</mo><mn>3</mn><msub><mi>Т</mi><mi>с</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>с</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn>3</mn><mi>Е</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>з</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>Е</mi><mrow><mn>2</mn><mo>,</mo><mi>N</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>A</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>A</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow>
Из приведенных на фиг.3 и 4 графиков зависимости времени передачи информации от соотношения между интервалами управляемого и
конкурентного доступа в кадре, построенных на основе расчета времени передачи информации по формулам, описанным выше, видно, что при значениях интенсивности входного потока заявок λ>1 совместное использование в кадре режимов управляемого и конкурентного доступа позволяет минимизировать время передачи пользовательской информации. При меньших значениях параметра λ построение сети на основе совместного доступа неэффективно, поэтому целесообразно использовать весь кадр данных под управлением базовой станции или в децентрализованном режиме.
Предложенный способ управления доступом к беспроводному каналу позволяет определить для каждого значения λ минимальное значение времени передачи пользовательской информации и выбрать соотношение между интервалами управляемого и конкурентного доступа, при которых это минимальное значение времени передачи пользовательской информации может быть достигнуто. Таким образом, предложенный способ доступа к беспроводному каналу позволяет уменьшить время передачи пользовательской информации и адаптировать сеть к меняющейся интенсивности входного потока заявок за счет адаптивного изменения порога между интервалами управляемого и конкурентного доступа.