Анализ особенностей функционирования мобильных самоорганизующихся сетей MANET на уровне доступа к среде Mac

Анализ особенностей функционирования мобильных самоорганизующихся сетей MANET на уровне доступа к среде MAC

Ключевые слова: MANET, MAC, самоорганизующиеся сети, пропускная способность, CSMA, STDMA

В соответствие с прогнозом транспортных компаний в течение последующих20-30 лет число летательных аппаратов (ЛА) различных классов увеличится вдвое, при этом общая ситуация усугубляется приростом числа ЛА малой авиации (частной) и развитием сфер применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Подобные тенденции наблюдаются также и в сфере автомобильного транспорта. По этим причинам создание интеллектуальных коммуникационных систем контроля и управления движением различных транспортных средств является перспективной тематикой для исследований и разработок во всем мире. Создание сетевой структуры обмена "ситуационной" информацией между участниками движения, а также органами контроля движения позволит эффективно решать задачи организации безопасности движения в сложившихся условиях. В этой сфере большой интерес у исследователей вызывают самоорганизующиеся мобильные Ad Hoc сети (MANET). Мобильные ad hoc сети являются разновидностью самоорганизующихся сетей передачи данных, с переменной топологией и не имеющих постоянной структуры и предназначенные для связи между подвижными объектами. Таким образом, в такой сети каждое устройство может двигаться независимо, в любом направлении и, соответственно, будет менять соединения с другими узлами достаточно часто. При этом каждый узел может являться ретранслятором трафика в независимости от собственного назначения. Выбор типа используемого метода для обеспечения многостанционного доступа к среде является важным этапом разработки рассматриваемых систем, так как требуется обеспечить эффективное использование канального ресурса в условиях постоянно изменяющейся топологии и числа участников. Традиционным методом организации многостанционного доступа является многостанционный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов — carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA), который используется в стандарте 802.11 p. Этот стандарт чаще всего рассматривается исследователями при разработке систем безопасности движения, использующих технологию самоорганизующихся сетей. Однако, задержки в доставке сообщений, возникающие при использовании методов с вероятностным подходом, а также некоторые другие проблемы (например, "спрятанного" терминала) послужили возникновению интереса к методам с детерминированным подходом. Одним из таких методов является самоорганизующийся многостанционный доступ с временным разделением — self-organized time division multiple access (STDMA). Методика определения пропускной способности для вероятностного и детерминированного подходов разнится и требует анализа принципов их работы. Проводится обзор принципов работы методов CSMA и STDMA, а также рассмотрены показатели, влияющие на пропускную способность систем на примере УКВ ЛПД режима 2 и режима 4, использующихся в качестве авиационных систем связи. В выводах выделены преимущества систем работающих на базе STDMA по сравнению с CSMA. Тематика рассматриваемого вопроса актуальна для сферы организации управления воздушным движением. Исследуемые системы призваны повысить уровень ситуационной осведомленности участников движения и тем самым улучшить безопасность движения.

Кулаков М.С.,

аспирант каф. МТС МТУСИ, plugin@mail.ru

В последние два десятилетия наблюдается резкое увеличение числа летательных аппаратов (ЛА) и автомобилей различных классов и функциональных назначений. По данным компании exxonmobil число личных автомобилей вырастет к 2040 г. более чем в два раза по сравнению с 2010 г., и составит 1600 млн. легковых автомобилей [1]. В соответствии с прогнозом компании Boeing авиакомпании разных стран мира в период с 2007 г. до 2026 г. приобретут 28600 новых самолетов, что также обозначает прирост числа самолетов примерно в два раза. В наземной среде такая ситуация уже создает огромные нагрузки на транспортные системы и органы управления движением. В свою очередь, в воздушной среде, традици-

онные системы управления воздушным движением — радиолокация, радиопеленгация и голосовая радиосвязь не могут справляться с возлагающимися на них обязанностями. Дороговизна традиционных средств УВД делает невозможным оснащение этими системами всей обширной территории нашей страны в ближайшей перспективе. При этом на ситуацию также негативно влияет значительный прирост числа ЛА малой авиации и развитие применения беспилотных ЛА. Создание интеллектуальных коммуникационных систем контроля и управления движением различных транспортных средств является перспективной тематикой для исследований и разработок.

Интеллектуальная транспортная система (ИТС) — это совокупность программных, аппаратных, информационных средств, увязанных в единую систему контроля и управления движением. Цель ИТС — обеспечить высокую безопасность и эффективность движения в совре-

менных условиях движения транспортных средств. Для ИТС могут использоваться различные стандарты беспроводной связи, наиболее популярным является стандарт IEEE 802.11 p (WAVE) [2], однако существуют и разрабатываются приложения, использующие стандарт 3G [3] и т.п.

Участники движения, имеющие соответствующее радиооборудование, могут объединяться в телекоммуникационную сеть обмена данными. Эти данные могут содержать в себе информацию о местоположении, направлении движения, состоянии технического средства и т.п. Подобные приложения носят название "heartbeat" (сердцебиение) приложений. Такое название обусловлено общим принципом функционирования рассматриваемой системы: все участники движения в широковещательном режиме рассылают короткие информационные сообщения. Частота рассылки таких сообщений может варьироваться от 1 до 10 Гц.

Организация сетевой структуры в условиях высокой интенсивности движения её участников является специфичной и трудновыполнимой задачей. Функционирование сетевых структур с многоуровневой иерархией нацелено на обеспечение обмена большими объемами мультимедийных данных со стационарными узлами, либо узлами с небольшой скоростью передвижения, поэтому для систем ИТС подразумевается использование сетевой структуры без жесткой иерархии — Ad Hoc сети.

Мобильные ad hoc сети(тоЫе ad hoc net-works(MANET)) являются разновидностью самоорганизующихся сетей передачи данных, с переменной топологией и не имеющих постоянной структуры и предназначенные для связи между подвижными объектами. Каждый участник такой сети должен являться как передатчиком собственных сообщений, так и ретранслятором информации от других узлов. Таким образом, узлы взаимодействуют в пределах радиовидимости, если же требуется установить обмен данными вне этого радиуса, то создаются маршруты передачи данных. Организация надежной маршрутизации обеспечивается специализированными алгоритмами маршрутизации. В свою очередь, протоколы маршрутизации в MANET сетях классифицируются следующим образом: по запросу (установление маршрута происходит по "желанию" узла), табличные (маршруты постоянно обновляются и хранятся на каждом узле), гибридные (объединение техник по запросу и табличной), географические (использующие информацию о местоположении) и многопутевые (создается множество маршрутов для повышения надежности передачи информации) [4]. Чаще всего, для обеспечения функциональных требований, возлагаемых на системы ИТС, рассматриваются географические протоколы маршрутизации, т.к. узлы в сети ведут постоянный обмен данными о своем местоположении и направлении движения.

Для обеспечения повышения уровня безопасности движения, а также обеспечения своевременной ситуационной осведомленности информация от узла к узлу должна передаваться без задержек, т.е. рассматриваемое приложение является чувствительным ко времени. К тому же, система должна постоянно подстраиваться в условиях постоянного изменения конфигурации узлов.

Уровень контроля доступа к среде (media access control — MAC) предназначен для орга-

низации многостанционного доступа, т.е. обеспечения эффективного распределения канального ресурса между узлами, желающими вести передачу данных. MAC уровень соответствует канальному уровню эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI. Техника, используемая на уровне многостанционного доступа, является важнейшим аспектом при проектировании и разработке телекоммуникационной системы, поэтому нужно выделить основные свойства MAC протоколов и определить их важность для систем ИТС:

• Избежание коллизий — основное свойство MAC протоколов. Протокол должен предоставлять возможность избегать возникновения ситуаций с одновременной передачей информации.

• Использование энергетического ресурса — параметр, характеризующий, насколько эффективно распределяется энергоресурс питающих элементов системы. Так как обычно транспортное средство имеет собственную систему электропитания с большим объемом аккумулятора, то данный параметр маловажен.

• Адаптивность- протокол должен подстраиваться под изменения в системе. Этот параметр важен, т.к. ситуация при движении постоянно меняется. Как в воздушной, так и в наземной среде существуют час-пики движения.

• Пропускная способность — процент успешно принимаемых пакетов по каналу связи. Важный параметр, т.к. пропускная способность должна сохраняться при увеличении числа пользователей.

• Задержка — в данном случае, время между попыткой получения доступа к каналу и моментом получения доступа. Как указывалось выше — функционирование сети MANET в качестве приложения для ИТС является чувствительным ко времени доставки информации.

• Эффективность использования канала — важный параметр, влияющий на показатели задержек и пропускной способности.

• Справедливость — однородность распределения трафика в сети. Неважный параметр, т.к. трафик в сети может иметь различную плотность на том или ином участке.

В стандарте IEEE 802.11p используется метод многостанционного доступа с контролем несущзй и избеганием коллизий (CSMA/CA). Данный метод используется в авиационных системах УКВ ЛПД режима 2[5]. Этот стандарт разрабатывался специально для обеспечения связи между транспортными средствами. Про-

токол CSMA достаточно распространен и не требует жесткой синхронизации между узлами, поэтому очень часто применяется при разработке самоорганизующихся ad hoc и сенсорных сетей. CSMA в стандарте 802.11p реализован следующим образом:

• Каждый узел при включении прослушивает канал предопределенный период, называемый внутрикадровым пространством разрешения конфликтов

— TAIFS.

• Если несущая есть или появляется во время периода прослушивания, то узел начинает процедуру отсрочки передачи — backoff (на случайный период времени);

• Если несущей нет, то узел осуществляет передачу по окончанию периода прослушивания.

Параметр backoff определяется следующим образом: сначала производится выбор случайным образом целого числа из интервала [0; CW] (CW — contention window, параметр влияющий на уровень конкуренции в канале), полученное число перемножается на время длительности слота Tslot. При отсрочке передачи процедура прослушивания несущей повторяется вновь и вновь. Если при прослушивании состояние канала идентифицируется, как свободное, то параметр backoff уменьшается на время длительности слота. По достижению backoff = 0, узел ведет передачу. Увеличение параметра CW приводит к ухудшению эффективности использования канала, но уменьшает число коллизий.

Производительность протокола 802.11 p для приложений ИТС неоднократно оценивалась, например в [6], [7] и [8]. Было установлено, что при CSMA, когда число участников движения велико, могут возникать коллизии между рядом расположенными транспортными средствами. При загруженности сети в 120% доля потерянных пакетов составляет 30%Эти факторы имеют большое влияние на эффективность работы 802.11 p для приложений безопасности, поэтому в качестве альтернативного метода обеспечения многостанционного доступа к среде рассматривается самоорганизующийся многостанционный доступ с временным разделением канала — STDMA

Self-organized time division multiple access [9]

— это детерминированный протокол многостанционного доступа к среде без конкуренции. В STDMA канальное время делится на кадры и временные слоты, длительность которых

Таблица 1

Сравнение CSMA/CA 802.11 p и STDMA

Избежание коллизий Энергетический ресурс Адаптивность Пропускная способность Задержка Эффективность использования канала Справедливость

CSMA/CA Хуже Одинаково Хорошо Хорошо Хорошо (плохо при нагрузках) Одинаково Хуже

STDMA Лучше Одинаково Хорошо (при нагрузках лучше) Хорошо (при нагрузках лучше) Хорошо Одинаково Лучше

определяется реализацией системы. Каждый узел, имеющий соответствующее радиооборудование и используя определенный алгоритм, имеет возможность самому выбрать слот, в котором он будет вести передачу. Подразумевается, что в каждом слоте производится передача одного сообщения в котором имеется навигационная информация и информация для управления каналом. Протокол STDMA нашел применение в системах автоматической идентификации кораблей (AIS) [10] и УКВ ЛПД Режима 4 (VDLM 4) [11], используемого для систем автоматического зависимого наблюдения вещательного (авиация). Функционирование протокола характеризуется четырьмя фаза-ми[12]:

1. Инициализация. В момент включения станция в течении одной минуты (обычно определяемой в качестве длины кадра) прослушивает канал и принимает сообщения от других станций в пределах радиовидимости, таким образом определяя их местоположение и временные слоты которые они занимают;

2. Вход в сеть. Сначала станция выбирает Номинальный Инкремент (НИ) — значение эквивалентное "частоте" передачи слотов в минуту. НИ равняется отношению количества временных слотов в кадре к выбранной частоте передачи сообщений. Например, если в минуте содержится 4500 слотов и требуется вести передачу 60 сообщений в минуту, то НИ = 75. Затем, случайным образом, из диапазона от текущего слота до НИ, выбирается Начальный Стартовый Слот (НСС). НСС будет находится в центре Интервала Выбора (ИВ), который составляет 20% от НИ, т.е. при НИ = 75, ИВ = 15. На следующем этапе второй фазы в ИВ вновь происходит выбор случайного слота. Если слот занят или зарезервирован, то ведется проверка слотов справа и слева и так далее, до мо-

мента нахождения свободного слота. Найденный слот становится Начальным Слотом Передачи (НСП).

3. Первый кадр. После выбора НСП выбираются новые Начальный Слот (НС) и НСП. НС определяется путем прибавления ИВ к НСП или (в дальнейшем) к НС. Новый НСП выбирается по такому же механизму, как и в фазе "Вход сеть". Таким образом, в течение кадра ведется выбор новых НС и НСП.

4. Продолжительное функционирование. Во время этой фазы станция продолжает выбор НС и вещание в НСП, а также уменьшает параметр тайм-аута слота. Слотовый тайм-аут указывает, сколько минут (кадров) будет использоваться выбранный НС. Этот параметр зависит от реализации системы и может быть как фиксированным, так и переменным и обычно заключен в пределах от 3 до 8 кадров. При достижении тайм-аутом нуля, станция добавляет в пакет параметр смещения слота, который указывает, на сколько слотов сместиться НС в следующую минуту. Функционирование в четвертой фазе продолжается до момента выключения станции или изменения частоты передачи сообщений. Также изменение типа функционирования может произойти, если станция попадает в зону управляющего режима работы наземной станции.

Синхронизация систем STDMA производится по времени UTC, получаемому по каналу ГНСС, с использование сигнала PPS, что дает относительно высокое качество синхронизации системы.

В таблице 1 приведено сравнение CSMA/CA 802.11p и STDMA по указанным выше свойствам протоколов канального уровня.

Как и в CSMA/CA, так и в STDMA существует проблема "скрытого" терминала, когда станция находится в зоне радиовидимости двух

других станций (или более), таким образом, возможны ситуации передачи ими сообщения в одно и то же время. В этом случае промежуточная станция примет сообщение с большей мощностью. Хотя вероятность возникновения такой ситуации мала, в STDMA она может возникнуть только в случае пересечения двух сот, когда в CSMA/CA эта вероятность остается всегда.

При 100% загруженности сети вероятность приема сообщения у CSMA/CA составляет около 80%, в SГDMA в "организованной" соте она составляет 100%.

Использование энергетического ресурса в TDMA ниже, т.к. требуется производить синхронизацию системы. Однако, в рассматриваемых системах энергетический ресурс расходуется на прием и обработку навигационной информации, в которой содержится и информация для синхронизации SГDMA системы. По этой причине показатели энергетических затрат почти одинаковы.

В протоколы CSMA/CA и SГDMA внедрены алгоритмы, позволяющие системам адаптироваться при изменении количества участников. Однако, при загрузке системы выше 100% в протоколах на основе конкуренции (рассматриваемый CSMA/CA) возникают большие задержки, что также имеет взаимосвязь и с пропускной способностью. Такое поведение протокола может являться критичным для приложений безопасности движения. В протоколе SГDMA механизмы использования и переиспользования слотов детерминированы, поэтому величина задержки имеет конкретное значение, кроме этого, производится переиспользование слотов более удаленных станций, что также важно для безопасности.

Функционирование ИТС подразумевает периодическую рассылку информационных

пакетов фиксированной длины, поэтому в обоих случаях эффективность использования канала одинаковая.

Из-за конкурирующего типа алгоритма справедливость распределения потоков информации в CSMA/CA немного хуже, чем в STDMA.

Однако, простота алгоритма CSMA и доступность радиооборудования стандарта 802.11 делает популярность таких систем более высокой для применения в наземной среде, в то время как системы с STDMA уже нашли применение в водной и воздушной средах.

Литература

1. Exxonmobil [Офиц. сайт]. URL: http://corpo-rate.exxonmobil.com/en/energy/energy-outlook/charts/light-duty-fleet-by-type-chart?parentId=8b22b63c-0329-4e0f-a820-9845ea41be7b (дата обращения: 28.11.13).

2. PAR for IEEE 802.11p. IEEE Standards association [Офиц. сайт] URL: http://standards.ieee.org/find-stds/standard/802.11p-2010.html (дата обращения 15.01.14).

3. "Ertico" ITS Europe [Офиц. сайт]. URL: http://www.ertico.com/intelligent-transport-systems-in-russia/ (дата обращения: 30.01.14).

4. Azzedine Boukerche, Algorithms and protocols for wireless and mobile ad hoc networks // University of Ottawa, Canada, 2009, p. 129-158.

5. DO-281. Minimum operational performance standards for aircraft VDL mode 2 physical, link, and network layer.

6. S. Eichier, "Performance evaluation of the IEEE 802.11p WAVE communication standard," Proc. IEEE Vehicular Techn. Conf., Baltimore, MD, Sept-Oct. 2007, pp. 2199-2203.

7. K. Bilslrup, E. Uhlemann, E. G. Strom, and U. Biislrup, "On the ability of the 802.11p MAC method and STDMA to support real-time vehicle-to-vehicle communication," EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, vol. 2009, Article ID

902414, 13 pages, 2009. doi:10.1155/2009/ 902414.

8. K. Bilstrup, E. Uhlemann, and E. Strom, "Scalability issues of the MAC methods STDMA and CSMA of IEEE 802.11p when used in VANETs," in Proc. of the ICC'10 Workshop on Vehicular Connectivity, Cape Town, South Africa, 23-27 May 2010

9. US patent5506587. Lans, Hakan, "Position indicating system", issued 1996-04-09, assigned to GP&C Systems International AB.

10. International Association of Light House Authorities, 1997, Technical Characteristics for a Shipborne Automatic Identification System using TDMA in the VHF Maritime Mobile Band, IALA.

11. Manual on VHF Digital link (VDL) Mode 4 -ICAO Doc 9816 AN/448, First Edition - 2004.

12. Rikard Kjellbetg, Capacity and Throughput using a Self-Organized Time Division Multiple Access VHF Data Link in Surveillance Applications// Master Thesis, Department of Computer and System Sciences University of Stockholm and The Royal Institute of Technology Stockholm, April 1998.

Analysis of functioning of mobile self-organizing networks MANET on the media access control layer MAC Kulakov Mikhail, postgraduate student of the department of Multichannel Telecommunication Systems MTUCI, plugin@mail.ru

Abstract

In line with the forecast of transport companies over the next 20-30 years, the number of aircrafts (AC) of different types will be doubled, while the overall situation is aggravating by the increasing number of small aviation's aircrafts (private) and the growth of applications for unmanned aerial vehicles (UAVs). Similar trends are also observed in the field of road transport. For these reasons, the creation of control intelligent communication systems of the movement of different vehicles is a promising subject for research and development worldwide. Creation of the network for situational data exchange between the members of the movement and also between traffic control authorities will effectively solve the problem of traffic safety in the circumstances. In this field the self-organizing mobile Ad Hoc networks are the one of the popular theme for developers. Mobile Ad Hoc networks are the type of self-organizing telecommunication networks with changeable topology and having no permanent structure, intended to provide data communication between moving objects. Thus, in such a network, each device can move independently in any direction and, accordingly, will change the connections with other nodes frequently. In addition, each node can be a relay for traffic regardless of its function. Selection of the type of method used to provide multiple access to the channel is an important step in the development of the considered systems, because there is a need to provide an effective usage of channel resources in a condition of constantly changing topology and number of participants. Traditional method of organizing multiple access in such a systems is a carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA), which is used in standard 802.11p. This standard is often considered by researchers in the development of safety systems that use the technology of self-organizing networks. However, delays in the delivery of messages arising from the use of methods with probabilistic approach, as well as some other problems (for example, "hidden" terminal) served as the emergence of interest in the use of the method with a deterministic approach. One of these methods is self-organized time division multiple access (STDMA). Method of determining the capacity for probabilistic and deterministic approaches are differs and requires an analysis of the principles of functioning. The report provides an overview of the principles of CSMA and STDMA methods, and discusses factors affecting the capacity of systems on the example of VDLM 2 and 4, which are used in aviation communication systems. The conclusions highlighting the benefits of systems based on STDMA compared to CSMA. The theme is relevant to the scope of air traffic management. Developing systems are designed to improve the situational awareness of the members of movement and thereby improve safety.

Keywo/ds MANET, MAC, selforganzng networks, capactty and throughput, CSMA, STDMA.