Разработка модели и алгоритмов оптимизации работы беспроводных компьютерных сетей

Это приводит к существенному увеличению пропускной способности беспроводного канала. Однако, для эффективной работы MIMO SDM необходимо наличие многолучевого распространения сигнала.При использовании MIMO SDM, когда данные передаются с двух антенн, при прямой видимости сигналы могут прийти к получателю одновременно и вызвать их наложение, что приведет к интерференции и ухудшению качества сигнала. Однако, если сигнал при прохождении отражается, преломляется и т.д., то получатель может распознать пришедший сигнал для разных потоков и восстановить исходные данные. Это достигается за счет вычисления текущего состояния каналов передачи для каждой из передающих антенн на основе предварительной калибровки и математических преобразований.Технология MIMO не требует оптимизации сигнала при передаче, так как отправитель не знает о состоянии канала. Точка доступа и клиент передают определенное количество потоков, которое поддерживается обеими сторонами. Например, если клиент поддерживает только один поток, то и точка доступа будет передавать только один поток.При передаче с нескольких антенн общая излучаемая мощность распределяется между ними. Например, если сигнал передается с двух антенн одновременно, то мощность сигнала для каждой из них будет в два раза меньше максимальной. Однако, важно отметить, что при использовании нескольких антенн мы можем передавать информацию по нескольким каналам одновременно. Кроме того, благодаря совместному применению пространственного мультиплексирования (SDM) и множественной передаче данных можно увеличить значение отношения сигнал-шум на приемнике.В стандарте 802.11ac (Wave 2) внедрена технология Multiuser-MIMO, позволяющая одновременно передавать данные нескольким клиентам. Это означает, что система MU-MIMO может обслуживать двух клиентов, поддерживающих один или два потока данных, передавая им сигнал одновременно. Ранее, без технологии MU-MIMO, передача данных осуществлялась только для одного клиента за один момент времени. Однако следует отметить, что MU-MIMO работает только в направлении от точки доступа к клиенту (Downlink). Современные точки доступа могут поддерживать работу с тремя клиентами MU-MIMO и передавать до трех потоков данных одновременно. Технология MU-MIMO требует соответствующей поддержки как на стороне точки доступа, так и на клиентском устройстве, а также дополнительных вычислений на точке доступа и предварительной калибровки [8, c.115].Рисунок 4Развитие механизмов множественной передачи и приема привело к увеличению количества антенн на устройствах стандарта 802.11n. Сегодня для корпоративных точек доступа стало типичным иметь от 3 до 4 антенн. Однако количество пространственных потоков часто меньше количества антенн. На практике лишь немногие клиентские устройства поддерживают, например, 3 потока. Большинство смартфонов и других устройств, как правило, поддерживают только один пространственный поток. В таких случаях точка доступа может использовать различные техники для оптимизации приема и передачи сигналов, используя свободные антенны.2.2 Оптимальное весовое сложение (MRC)Механизм разнообразия приема (MRC) способствует улучшению значения отношения сигнал-шум (SNR) для входящего сигнала, идущего от клиента к точке доступа. При наличии дополнительного свободного приемника или приемников точка доступа комбинирует сигнал, полученный на каждом из приемников, с остальными. Поскольку приемник уже располагает информацией о текущем состоянии передачи по каналу (для каждой из передающих антенн), он может вычислить сигналы на каждой из приемных антенн, провести их выравнивание и оптимальное сложение, что приводит к улучшению отношения сигнал-шум. Сравнение результатов для одного и нескольких потоков с дополнительными антеннами и без показывает, что в некоторых случаях MRC существенно повышает значение SNR, увеличивая таким образом скорость передачи и дальность действия точки доступа. MRC реализуется исключительно на точке доступа для улучшения входящего сигнала от клиента и может использоваться в сочетании с другими технологиями, такими как CSD, SDM и STBC[7, c.130].Рисунок 5Оптимальное весовое сложение (MRC)2.3 Разнесенная передача (CSD/SE)Рисунок 6Разнесенная передача (CSD/SE)Технология CyclicShiftDiversity (CSD) предполагает передачу копий одного и того же сигнала с дополнительных свободных антенн с небольшим временным интервалом (обычно около 200 нс). Если передавать копии одного сигнала одновременно с нескольких антенн (с разделением мощности), это не приведет к улучшению приема на стороне получателя. Однако, если сигналы передаются независимо с небольшой временной задержкой с каждой из антенн с максимальной мощностью, это может создать разнообразие сигнала на приемной стороне, что приводит к улучшению приема. Приемник, в свою очередь, выбирает лучший сигнал на основе определенного критерия.Хотя метод разнесенной передачи является довольно старым и не очень удобным для обработки на стороне приемника (требует большой вычислительной мощности и плохо масштабируется), он все еще поддерживается на точках доступа и работает с клиентами предыдущих стандартов, таких как 802.11a/g. В более современных стандартах, таких как 802.11n и последующих, используются более эффективные механизмы, такие как Space-TimeBlockCoding (STBC) или адаптивная передача (Beamforming) [7, c.150].2.4 Пространственно-временное блочное кодирование (STBC)Рисунок 7Пространственно-временное блочное кодирование (STBC)Технология Space-TimeBlockCoding (STBC) позволяет передавать несколько различных сигналов одновременно с нескольких антенн в течение нескольких тактовых интервалов. Для этого применяется схема Аламоути. В случае простейшей конфигурации 2x1, данная схема позволяет передать два сигнала за два интервала времени. На каждом из интервалов с различных антенн передается либо один из сигналов, либо его комплексно сопряженная версия. Это приводит к разнесению сигналов во времени и пространстве, что улучшает качество сигнала на стороне приема.С точки зрения приема, метод STBC является довольно удобным, поскольку не требует значительных вычислительных ресурсов. Важно отметить, что STBC и CSD не могут работать одновременно. В отличие от метода MRC, рассмотренного ранее, STBC позволяет улучшить качество сигнала от точки доступа к клиенту. Теоретически STBC может быть использован в режимах более высоких порядков или для передачи нескольких потоков (например, в режиме 2x1 для двух потоков с четырьмя передающими антеннами). Кроме того, STBC может использоваться совместно с технологией MIMO SDM [7, c.190].2.5 Влияние на производительностьИтак, мы рассмотрели разные методы разнесенной (множественной) передачи/приема на точках доступа. В чем же преимущество их использования, какой реальный прирост они дают? Посмотримграфики. [11]Рисунок 8 График производительностиРисунок 9График производительностиНа первом графике для MCS7 (один поток) мы видим, что SE (CSD) не дает существенных улучшений по сравнению с режимом SISO (1x1). STBC же ведет себя гораздо лучше: для коэффициента ошибок 1% (PER – PacketErrorRate) он на ~4 dB лучше SE. MRC дает наибольший прирост: почти 10 dB по сравнению с режимом 1х1! Однако, на более низких скоростях результаты менее захватывающие. Для MCS0 (второй график) показатели SNR для STBC и SE (CSD) вообще сравнимы.2.6 Адаптивнаяпередача (802.11ac Explicit Beamforming)Рисунок 10Адаптивная передача (802.11ac ExplicitBeamforming)До сих пор мы рассматривали методы обработки сигнала на стороне приемника. При этом отправитель не подстраивал сигнал между своими антеннами и передавал его без каких-либо корректировок. Однако при адаптивной передаче основное внимание уделяется определению состояния канала на стороне отправителя с целью отправить сигнал с оптимальными фазовыми и амплитудными характеристиками, обеспечивающими наилучшее качество на стороне приемника. Это можно сделать различными способами, такими как калибровка с получателем или без ответа от него.В стандарте 802.11ac был внедрен подход, основанный на получении калибровочной информации от приемника. То есть приемное устройство сообщает, каким образом оно воспринимает сигнал с каждой антенны точки доступа. На основе этой информации, с учетом предположения о симметричности канала, формируется матрица передачи с коэффициентами для конкретного приемника [11, c.132].Кроме того, использование адаптивной передачи позволяет эффективно распределять мощность между различными потоками данных. Например, можно увеличить мощность для потоков с лучшим отношением сигнал/шум. На графике видно, что в сравнении с методами разнесенной передачи, которые мы рассматривали ранее, режим адаптивной передачи демонстрирует наибольший прирост скорости передачи информации клиенту [11].Рисунок 11 Сравнение методовМы изучили различные методы множественной передачи сигнала в системах MIMO (Wi-Fi), такие как мультиплексирование, разнесение сигнала на приеме и передаче, адаптивную передачу, и проанализировали, какой прирост они могут принести. Однако в реальных условиях работает более сложная динамика. Влияют дополнительные факторы, такие как расстояние до клиента, количество клиентов, загрузка канала и поддерживаемые клиентами методы передачи. Точка доступа использует встроенные алгоритмы для определения, какие методы передачи следует использовать в конкретный момент времени.ЗаключениеВ заключении стоит подчеркнуть, что разработка моделей и алгоритмов оптимизации работы беспроводных компьютерных сетей играет критическую роль в обеспечении их эффективности, надежности и масштабируемости. Множество факторов, таких как изменчивость канала связи, ограниченные ресурсы среды передачи, различные характеристики устройств и приложений, а также требования к качеству обслуживания, делают оптимизацию работы беспроводных сетей сложной задачей.Разработанные модели позволяют анализировать и моделировать различные аспекты работы беспроводных сетей, включая пропускную способность, задержку, уровень интерференции и т. д. Алгоритмы оптимизации позволяют эффективно управлять ресурсами сети, распределять их с учётом текущей загрузки и требований приложений, а также минимизировать влияние помех и коллизий на передачу данных.В целом, разработка моделей и алгоритмов оптимизации является важным направлением исследований в области беспроводных сетей, способствующим развитию более эффективных и устойчивых сетевых решений для различных сценариев использования.СписокиспользованнойлитературыШубин, В. И. Беспроводные сети передачи данных / В.И. Шубин, О.С. Красильникова. - М.: Вузовская книга, 2013. - 104 c.Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Учебник. - Санкт-Петербург, Питер, 2001.Брэгг, Р. Безопасность сетей: полное руководство / Р. Брэгг, М. Родс-Оусли, К. Страссберг. - М.: Эком, 2015. - 912 c.Радке, Хорст-Дитер Все о беспроводных сетях / Хорст-Дитер Радке ,ЙеремиасРадке. - М.: НТ Пресс, 2011. - 320 c.Свами, М. Графы, сети и алгоритмы / М. Свами, К. Тхуласираман. - М.: [не указано], 2013. - 409 c.Майника, Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах / Э. Майника. - М.: [не указано], 2012. - 334 c.Стрельников, А. Ю. Технология беспроводной передачи данных Wi-Fi / А. Ю. Стрельников, С. А. Страмоусова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 9.4 (113.4). — С. 125.Лиэри Дж., Рошан П. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 302 с.Максимова А.А. Кострова В.Н. Андросов А.А. Оптимизация беспроводных сетей связи на основе методов искусственного интеллекта. Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2016cКанавин С. В. Перспективы применения систем мобильного широкополосного доступа в сетях подвижной радиосвязи на основе стандартов mobile WIMAX и LTE / С. В. Канавин, А. С. Лукьянов // Вестник Воронежского института высоких технологий. 2016. № 1. С. 79-82EldadPerahia, Robert Stacey, Next Generation Wireless LANs: 802.11n and 802.11ac