СПОСОБ УСКОРЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЯ, ВИРТУАЛЬНАЯ СЕТЬ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШИРОКОПОЛОСНОЙ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ РЕТРАНСЛЯЦИЮ В ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ СОСТАВНЫХ КАНАЛАХ
ACCELERATED MESSAGING METHOD, VIRTUAL NETWORK AND BROADBAND WIRELESS COMMUNICATION DEVICE USING RETRANSMISSION IN PARALLEL COMPOSITE CHANNELS

Область техники
Настоящее изобретение относится к широкополосной беспроводной связи с использованием ретрансляции для повышения скорости и надежности передачи сообщений (данных). В частности, изобретение относится к способу, виртуальной сети и устройству для широкополосной беспроводной сети с ретрансляцией, в том числе в режимах пакетной коммутации, с двумя и более транзитными участками.
Уровень техники
Задачи повышения надежности и скорости доведения информации в значительной степени решены на канальном уровне. Однако для систем и сетей связи с низкоскоростными каналами, из-за ограниченной возможности канального уровня, решение указанных задач лежат в сетевой плоскости. Это подход актуален практически для всех сетей беспроводной связи из-за, с одной стороны, наличия ресурсных ограничений каналов связи, с другой, - постоянного роста объемов передаваемого трафика мобильными пользователями. В связи с этим важное значение имеет направление динамического и гибкого изменения структуры сети в условиях ограничения информации о сетевой топологии и замена одиночных каналов (путей) связи виртуальными ячейками с реализацией в них аспектов параллелизма (суть способа настоящего изобретения).
E
Известна иерархическая сеть связи (патент RU №2265967 C2, кл. H04Q 11/06, 2005 г.), позволяющая гибко расширять конфигурацию сети без существенного увеличения мощности вычислительной техники и повышать скорость передачи информации путем применения способа формирования структуры радиосети, основанного на теории нечетких подмножеств (Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств. - М.: Радио и связь, 1982). Получаемые структуры являются нечеткими и имеют строгий порядок, благодаря чему для однозначного определения адреса узла перехода достаточно указать его идентификационный номер. Код топологии представляет собой операцию нахождения расстояния Хемминга между элементами множества принадлежности (характеристической функции) L. Свойства элементарной структуры L, составляющей ячейку сети, наследуются сложной структурой L, где Е - универсальное множество произвольной мощности. Таким образом, для построения структуры любой сложности достаточно задать элементарную структуру L. Блок формирования топологии работает в соответствии с алгоритмом (Горев П.Г., Гораздовский Т.Я., Пасечников И.И., Желонкин В.В. Формирование структур пакетных радиосетей различной сложности. - М.: Радиотехника (журнал в журнале). 2001. №4. С.25-30). Недостатком данной сети является отсутствие способа формирования сетевых ячеек (виртуальных подсетей) для реализации в них режима ускоренной передачи сообщений путем параллельной передачи пакетов.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению является способ и система для сетей беспроводной связи, использующих ретрансляцию (патент RU №2342800 C2 кл. H04L 25/52, 2008 г.), содержащая передатчик, приемник и, по меньшей мере, одну ретрансляционную станцию, участвующую в сеансе связи. Ретрансляционная станция пересылает сигналы из первой линии связи между передатчиком и ретрансляционной станцией во вторую линию связи между ретрансляционной станцией и приемником. Пересылка, осуществляемая, по меньшей мере, одной ретрансляционной станцией, адаптируется в соответствии с оцененными характеристиками радиоканала первой и второй линии связи. В результате на основе определения и адаптации параметров передачи для каналов связи с двумя ретрансляционными участками в системе беспроводной связи имеется возможность реализовать режим параллельной передачи информации. Данное изобретение позволяет полнее использовать преимущества кооперативной ретрансляции для повышения пропускной способности и гибкости системы, однако в нем не рассматриваются способ и устройства, позволяющие представить составной канал связи (на основе ретрансляции, в том числе с учетом аспекта параллелизма) в виде виртуальной сетевой ячейки с координированной передачей пакетов, структура которой определяется как топологией сети, так и параметрами передаваемого сообщения.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение включает в себя способ ускоренной передачи сообщений, виртуальную сеть и устройство для широкополосной сети передачи данных. Способ ускоренной передачи сообщений объединяет достоинства рассмотренных выше изобретений, в частности, способ формирования топологии в иерархической сети связи (патент RU №2265967 C2, кл. H04Q 11/06, 2005 г.), способ, адаптирующий пересылку информации ретрансляционной станцией в соответствии с оценкой характеристик радиоканалов первой и второй линии связи ретрансляционной линии и, тем самым, обеспечивающий кооперативную ретрансляцию в сегменте сети с двумя транзитными участками (способ и система для сетей беспроводной связи, использующих ретрансляцию (патент RU №2342800 С2 кл. H04L 25/52, 2008 г.)), и включает дополнительные процедуры, формирующие виртуальные сети и обеспечивающие ускоренный режим передачи сообщений в них.
Основной задачей способа является повышение скорости доведения сообщений до пользователей в условиях ограничения пропускных способностей каналов связи путем формирования на время передачи сообщения виртуальных сетей в широкополосной беспроводной сети со структурной избыточностью, реализующих передачу пакетов по параллельным составным каналам сформированной сетевой ячейки. Он предусматривает последовательное выполнение следующих операций: определение категории входного сообщения; вычисление требуемого ресурса виртуальной сети на основе анализа параметров входного сообщения и его типовых статистических характеристик; предварительное формирование топологии виртуальной сети; настройка виртуальный сети и коррекция топологии на основе оцененных возможностей широкополосной беспроводной сети для режима формирования виртуальной сети (сетевой ячейки) с целью параллельной передачи пакетов; многоканальная передача пакетов по составным каналам и их фильтрация в соответствии с принципом построения виртуальной сети. Способ ускоренной передачи сообщений настоящего изобретения основывается на формировании виртуальной сети (ячейки) и устройства для широкополосной беспроводной связи, использующей ретрансляцию в параллельных составных каналах.
i
Виртуальная сеть с архитектурой виртуальной ячейки, представляющая собой многоканальный передатчик (группа передатчиков), соединенный(е) каналами непосредственной связи с многоканальным узлом-ретранслятором (группой узлов-ретрансляторов), соединенных между собой каналами непосредственной связи в зависимости от числа транзитных участков и на последнем участке соединенных с многоканальным приемником (группой приемников), формируется в соответствии со способом, рассмотренным в иерархической сети связи (патент RU №2265967 C2, кл. H04Q 11/06, 2005 г.) и в соответствии с алгоритмом построения мягких структур (Горев П.Г., Гораздовский Т.Я., Пасечников И.И., Желонкин В.В. Формирование структур пакетных радиосетей различной сложности. - М.: Радиотехника (журнал в журнале). 2001. №4. С.25-30), отличающаяся наличием режима настройки для реализации параллельной передачи пакетов входного сообщения. На фиг.1 показан пример сетевой ячейки с двумя транзитными участками, сформированной для передачи пакетов сообщения по восьми параллельным составным каналам. Блок 1 - группа из четырех передатчиков, блоки 2 и 3 - разнесенные группы узлов-ретрансляторов, блок 4 - многоканальный приемник (либо группа разнесенных приемников). Точки (a, b), где a=0, α, β, 1 и b=0, α, β, 1, соответствуют устройствам приема-передачи пакетов (ретрансляционным станциям), при этом значения 0, α, β, 1 характеризуют логические подуровни сетевой ячейки и описывают различные степени использования ресурса узлов-ретрансляторов. Такие подсети условно будем называть подсетями α-уровней. Переход с уровня на уровень структуры сетевой ячейки в объединенных группах возможен при реализации метода статистического уплотнения каналов в системе либо исходя из условий передачи пакетов по сети.
Устройство для широкополосной беспроводной сети (фигура 2), использующей ретрансляцию в параллельных составных каналах, состоит из: передающей части (12), отличающейся наличием определителя категорий сообщений (2), базы данных характеристик типовых сообщений (5), определителя требуемого ресурса виртуальной сети (8), устройства настройки виртуальной сети и режимов передачи (6), блока управления настройкой виртуальной сети и режимами передачи (7), блока формирования текущей топологии (9), базы данных топологий виртуальных сетей (13), блока формирования пакетов (3), устройства многоканальной передачи пакетов (4); приемной части (15), отличающейся параллельной обработкой широкополосных сигналов в многоканальной системе передачи сигналов с учетом метода формирования топологии виртуальной сети и состоящей из устройства многоканального приема пакетов (17), блока формирования сообщений (16) на приемной стороне. Прием пакетов радиоустановками в виртуальной сети основывается на особенностях передачи данных в широкополосных системах связи. Обработка пакетов осуществляется в соответствии с известными технологиями, отличающимися учетом структуры ячейки сети в параметрах широкополосных сигналов.
Краткое описание фигур
Вышеупомянутые признаки и преимущества настоящего изобретения описаны в подробном описании со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:
фигура 1 - схематическая модель, поясняющая формирование виртуальной ячейки сети. Обозначения:
1 - группа передающих устройств (многоканальный передатчик);
2, 3 - группы узлов-ретрансляторов;
4 - группа приемных устройств (многоканальных приемник);
фигура 2 - структурная схема устройства для широкополосной беспроводной сети, использующей ретрансляцию в параллельных составных каналах. Обозначения:
1 - источник сообщения;
2 - определитель категорий сообщений;
3 - формирователь пакетов;
4 - устройство многоканальной передачи пакетов;
5 - база данных характеристик сообщений;
6 - устройство настройки виртуальной сети и режимов передачи;
7 - блок управления настройкой виртуальной сети и режимов передачи;
8 - вычислитель потребного ресурса виртуальной сети;
9 - формирователь текущей топологии виртуальной сети;
10 - пакетная сеть (ПРС);
11 - виртуальная подсеть;
12 - передающая часть устройства;
13 - база данных топологий виртуальных сетей;
14 - получатель сообщения;
15 - приемная часть устройства;
16 - формирователь сообщений;
17 - устройства многоканального приема пакетов.
Подробное описание изобретения
Способ ускоренной передачи сообщения с применением виртуальной сети, адаптируемой в зависимости от характеристик сообщения и текущих возможностей широкополосной беспроводной сети, состоит из последовательного выполнения ранее приведенных операций:
А. Определение категории входного сообщения необходимо для вычисления потребного сетевого ресурса при его передаче. Для этого в определителе категорий сообщений (2), фигура 2, с учетом базы данных характеристик сообщений (5) вычисляется значение основных параметров, которые используются вычислителем потребного ресурса виртуальной сети (8). К ним относятся тип сообщения, объем сообщения, требования к задержке и требования по надежности.
Б. Вычисление потребного ресурса виртуальной сети осуществляется путем: нахождения мощности сети
огр
где N - допустимое количество пакетов, находящихся в сети (как в режиме трансляции, так и в режиме ожидания в буферных устройствах); G - производительность виртуальной сети; T - ограничение в виде допустимой временной задержки передаваемого сообщения. Определение производительности для двухскачковых сетевых ячеек осуществляется путем нахождения скорости передачи пакетов в ретрансляционных каналах с учетом адаптации характеристик линий в соответствии со способом и системой для сетей беспроводной связи, использующих ретрансляцию (патент RU №2342800 C2 кл. H04L 25/52, 2008 г.). Для заданного объема сообщения производительность можно представить:
i
где R - скорость передачи информации в i-м (составном) ретрансляционном канале, n - число параллельных составных каналов в виртуальной сети. Составной канал есть последовательно соединенные два канала с памятью (одноканальные системы), соответствующие первой и второй линии связи. Скорость передачи информации в нем зависит от физических характеристик линии связи, помеховой обстановки и других факторов, которые учитываются при нахождении параметров передачи (патент RU №2342800 C2 кл. H04L 25/52, 2008 г.). Выражение (1) применительно к одноканальным системам с целью определения мощности виртуальной сетевой ячейки с помощью выражения:
i
где G - производительность i-й системы, представляющей составной канал, может быть использовано в условиях каналов связи с низкой помехоустойчивостью, когда в ретрансляционном узле пакеты, накапливаясь, ожидают дальнейшей передачи в составном канале.
Составные каналы могут быть представлены цепью одноканальных систем, ретрансляционных (с двумя транзитными участками) линий, виртуальных подсетей. В последнем случае составные каналы вырождаются в виртуальные подсети, объединенные в единую сеть. Согласно приведенному мощность j-го составного канала определяется выражением
где k - количество элементов в цепи составного канала. При этом сделано упрощение идентичности элементов цепи. В общем случае, с учетом сложных топологий, результирующая мощность виртуальной сети находится согласно выражению (1).
Значение потребной мощности виртуальной сети определяет топологию формируемой ячейки сети - виртуальной сети для передачи сообщения. Одновременно с этим формирование виртуальной сети осуществляется на основе анализа состояния широкополосной беспроводной сети на основе процедуры настройки виртуальной сети.
E
E
В. Предварительное формирование топологии виртуальной сети основывается на анализе потребной мощности виртуальной сети и степени обеспечения надежности передаваемого сообщения. Если сообщение имеет формат, превышающий возможности передачи по одиночному каналу (особенно это актуально в низкоскоростных сетях), то рассчитывается топология ячейки с параллельными каналами и различными степенями их использования, описываемыми значением функций принадлежности для мягких графов (см. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств. - М.: Радио и связь, 1982 г.). Метод формирования мягких графов (предварительных топологий) основан на теории нечетких множеств путем построения упорядоченных структур типа L, где Е - универсальное множество произвольной мощности, a L - структурированное множество функций принадлежностей (Горев П.Г., Гораздовский Т.Я., Пасечников И.И., Желонкин В.В. Формирование структур пакетных радиосетей различной сложности. - М.: Радиотехника (журнал в журнале). 2001. №4. С.25-30). Если требуется топология ячейки в виде многоскачковой части широкополосной беспроводной сети, то L наделяется более сложной упорядоченной структурой с наличием верхней и нижней граней. В результате логическая структура L, характеризующая предварительную топологию сети, может реализоваться в виде тора или другой многомерной мягкой структуры. Важным условием построения предварительных топологий является структурная избыточность широкополосной беспроводной сети с ретрансляциями.
Г. Настройка виртуальной сети. Так как передача информации осуществляется пакетами и для вычисления мощности сети достаточно знания скоростных возможностей составных каналов связи (при условии предварительно построенной топологии), то для настройки виртуальной сети необходимы сведения от потенциальных соседних узлов-ретрансляторов широкополосной беспроводной сети о допустимой их загрузке. В связи с этим каждым соседним узлом узлу, организующему виртуальную сеть, передаются кванты пропускной способности для выполнения услуг по передаче пакетов сообщения. Один из вариантов значения кванта - доля нормированной пропускной способности для передачи одного пакета сообщения. Кванты могут передаваться либо по запросу, периодически, либо комбинированным способом с учетом корреляционных характеристик передаваемых потоков сообщений.
Алгоритм настройки широкополосной сети на трансляцию пакетов по виртуальным сетям состоит из следующих этапов:
1. Вхождение в сеть, обмен служебной информацией и построение таблиц: соседей и качества каналов связи.
i
2. В соответствии с полученными данными для каждого i-го типа сообщения формируется вариант виртуальной сети либо подсеть α-уровня для сети с мягкой топологией и записывается в базу данных. При наличии информации в базе данных топологий (после предыдущего цикла обмена служебной информации) последние корректируются.
3. На основе типа передаваемого сообщения и его характеристик осуществляется выбор топологии для виртуальной сети.
4. Формирование пакетов сообщения, их адресация в соответствии со структурой виртуальной сети - ячейки сети (ячейка является упорядоченным структурированным подмножеством мягкого графа). Каждый элемент графа однозначно соответствует обрабатываемому пакету, элементу структуры виртуальной сети и кодовой комбинации, используемой в системе широкополосных сигналов.
5. Резервируется ресурс виртуальной сети путем сигналов-запроса необходимых квантов пропускной способности узлов-ретрансляторов.
Д. Многоканальная направленная передача и прием узлами-коммутаторами виртуальной сети осуществляется в соответствии с протоколами передачи, используемыми в широкополосной беспроводной сети и системой адресации пакетов, осуществляемой в соответствии с построением мягкой топологии виртуальной ячейки сети.
Устройство для широкополосной беспроводной связи, использующей ретрансляцию в параллельных составных каналах, является необходимым элементом узлов-источников, узлов-ретрансляторов, узлов-получателей сообщений, выполняется программно-аппаратными средствами и состоит из передающей и приемной частей (фигура 2).
Передающая часть (12) в узле-источнике обеспечивает формирование сетевой ячейки и реализует метод ускоренной передачи сообщений в ней. Она состоит из определителя категорий сообщений (2), первый выход которого соединен с входом базы данных характеристик типовых сообщений (5), выход которой соединен обратной информационной связью с вторым входом определителя категорий сообщений (2), второй выход определителя категорий сообщений (2) соединен с входом определителя требуемого ресурса виртуальной сети (8), выход которого соединен с входом формирователя текущей топологии (9), имеющего дополнительно два входа и два выхода, первый из входов подключен к выходу базы данных топологий виртуальных сетей (13), выход которой соединен обратной информационной связью с соответствующим входом формирователя текущей топологии виртуальной сети (9), второй вход подключен к выходу устройства управления настройкой виртуальной сети и режимов передачи (7), один из выходов которого соединен с соответствующим входом блока (9), а второй выход блока управления настройкой виртуальной сети и режимов передачи (7) соединен с входом формирователя пакетов (3), второй вход которого подключен к выходу определителя категорий сообщений (2), а выход соединен с входом устройства многоканальной передачи пакетов (4), которое осуществляет передачу пакетов в пакетную радиосеть (10) по каналам сетевой ячейки (11), в которой устройство многоканального приема пакетов (17) принимающего узла-ретранслятора обрабатывает пакеты и направляет в блок управления настройкой виртуальной сети и режимов передачи (7) узла-ретранслятора для переадресации и дальнейшей передачи в сетевой ячейки. В случае если принимающий узел является узлом-получателем сообщения, то после обработки сигналы с выхода устройства многоканального приема пакетов (17) поступают на вход формирователя сообщений (16), выход которого соединен с получателем сообщения (14).
В устройство настройки виртуальной сети и режимов передачи (6) входят: блок управления настройкой виртуальной сети и режимов передачи (7), обеспечивающий формирование виртуальной сети и реализующий алгоритм настройки широкополосной сети на трансляцию пакетов по виртуальным сетям, а также преобразование пакетов и их переадресацию в узлах-ретрансляторах в случае многомерной сетевой ячейки; формирователь текущей топологии виртуальной сети (9), осуществляющий построение топологии виртуальной сети на основе согласования требований и характеристик входного сообщения и физических возможностей широкополосной сети, имеющей структурную избыточность, а также с учетом анализа базы топологий сетевых ячеек; база данных топологий виртуальных сетей, в которой хранятся все используемые варианты топологий виртуальных сетей, используемые для передаваемых типовых сообщений.
Структурная схема приемной части устройства реализует в виртуальной подсети многоканальный режим обработки цифровых широкополосных сигналов по параллельным составным каналам и может быть построена по известным схемам многоканальной обработки, с отличительной особенностью, заключающейся в фильтрации широкополосных сигналов с учетом соответствия кодовой структуры сигналов элементам структуры сетевой ячейки.
Настоящее изобретение позволяет:
1. Реализовать ускоренный режим передачи сообщения путем формирования специальных сетевых ячеек и параллельной передачи пакетов в них, адаптированных в соответствии с характеристиками сообщения.
2. Гибко формировать топологии сетевых ячеек для ускоренного режима передачи сообщения путем использования структурной избыточности широкополосной беспроводной сети и метода построения мягких, в том числе самоподобных, сетевых структур. Получаемые структуры позволяют обеспечить режим параллельной передачи пакетов в виртуальной сети (формируемой для передачи одного сообщения) с различным числом транзитных участков, в том числе имеющей иерархическую архитектуру виртуальной сетевой ячейки.
3. Формировать виртуальную сеть для сообщения, адаптируемую под его характеристики: объем сообщения, приоритетность, статистические характеристики типа сообщения, требования к временной задержке и надежности.
4. Осуществлять сетевую модуляцию структур сетей параметрами сообщений.
5. Повысить информационную эффективность ПРС, обладающей сильной связностью. Проведенное исследование (Метод ускоренной передачи информации с организацией виртуальных подсетей. / А.А.Хворов, И.И.Пасечников, Л.А.Мишина // Информационные системы и процессы: сб. науч. тр. / Под ред. проф. В.М.Тютюнника. - Тамбов; М.; СПб.; Баку; Вена: Изд-во «Нобелистика», 2009. - Вып.8. - С.9-19) путем имитационного моделирования ПРС из 30 узлов, случайной топологией с сильной связностью, с алгоритмами определения кратчайших путей и с параллельной передачей пакетов (длина пакета l=300 бит, пропускная способность каналов связи С=2400 бит/с, количество пакетов в сообщении - 8) в сетевых ячейках, формируемых для передачи сообщений в ускоренном режиме (до 8-ми параллельных составных каналов) показало преимущества последнего метода:
а) производительность в ПРС с определением кратчайших путей по алгоритму Дийкстра уступает ПРС с алгоритмом параллельной передачи по виртуальным подсетям в диапазоне входных интенсивностей от 30 до 100 сообщ./с при использовании 8 параллельных составных каналов в виртуальных сетях;
б) применение аспекта параллельности на сетевом уровне при решении задачи маршрутизации позволяет минимизировать временную задержку передаваемых пакетов при умеренной (средней) информационной нагрузке и использовании большого количества параллельных путей в виртуальных подсетях: временная задержка имеет меньшее значение для сети с 8 параллельными составными каналами в диапазоне входной информационной нагрузки до 70 сообщ./с;
в) в условиях средней информационной нагрузки - 60-100 сообщ./с режим параллельной передачи имеет лучшие показатели относительно потерь информации (при достаточно большом количестве параллельных каналов). Так, если входной интенсивности 80 сообщ./с в ПРС, где пакеты передаются по кратчайшим путям, количество потерянных пакетов превышает 1000, то в сети с 8 параллельными составными каналами в виртуальных подсетях - всего десятки потерянных пакетов.
Таким образом, метод ускоренной передачи на основе режима параллельности в специально создаваемых виртуальных сетях позволяет улучшить скоростные и надежностные характеристики сетей при умеренных нагрузках ПРС.