Методи та моделі управління доступом до фізичного середовища безпровідних комп'ютерних мереж

Abstract

Робота присвячена розробці та вдосконаленню моделей та методів управління доступом до фізичного середовища безпровідних комп’ютерних мереж. Розроблена програмна реалізація методу управління доступом до фізичного середовища безпровідної комп’ютерної мережі дозволяє досліджувати її роботу та характеризується можливістю змінювати та доповнювати стандартні схеми доступу до середовища, характеристики потоків трафіку, стан середовища, параметри МАС- та фізичного рівнів, моделювати та аналізувати розгалужені безпровідні мережі. За допомогою розробленої комп’ютерної моделі управління доступом до фізичного середовища проведено дослідження роботи безпровідної мережі за різноманітних умов функціонування (кількість станцій, завантаженість, співвідношення високо- та низькопріоритетного трафіків тощо). Було показано, що загальна пропускна здатність безпровідної мережі на МАС-підрівні залежить від кількості категорій доступу в схемі доступу EDCA. За певних умов функціонування безпровідної мережі загальна ефективність функціонування схеми доступу EDCA є нижчою за ефективність функціонування схеми доступу DCF. Проведене дослідження дозволило визначити критерії для розробки методу покращення ефективності роботи МАС-підрівня безпровідної мережі. На основі результатів проведеного дослідження розроблено адаптивний метод доступу до фізичного середовища, який дозволяє підвищити загальну пропускну здатність мережі на 20-46% та знизити середній час доставки кадру та рівень інтенсивності колізій на 30-40% в діапазоні бажаної завантаженості мережі 50-100%. This thesis is a complex research devoted to the developing of application software for simulation, analyzing and studying of wireless local computer networks. A wide theoretical and practical research of methods and models of access control to a physical environment of wireless computer networks has been done and has been used as a basis for software development process of wireless network MAC-layer simulator. A developed wireless network MAC-layer simulator allows investigating wireless network performance. Among the advantages of the developed simulator are possibilities to modify and to extend the standard access schemes, traffic characteristics, wireless medium state, extensive wireless networks etc. Its accuracy has been verified by comparing of simulated results with the results of different well-known analytical models, network simulator NS-2 and physical measurements. A research of wireless network performance under different network conditions (the number of stations, offered load, high/low priority traffic ratio etc.) has been done using developed simulator. It was shown that under high load network conditions a total network throughput in case of using EDCA priority-access scheme in general is less efficient (provides a lower total throughput) then DCF scheme that does not provide priority access. At the same time EDCA with two ACs provides a good prioritized access for higher-priority traffic. According to network throughput analysis under bursty network load conditions all the network nodes react on the traffic burst by increasing of mean frame delay 2-2.5 times. In case of DCF scheme the edges of mean frame delay are quite sharp. For EDCA scheme mean frame delay is burstier itself but its increasing on traffic burst is still distinguishable. Therefore, sharp change of mean frame delay may help identify network load condition and may serve as an indicator for decision-making mechanism in adaptive access control scheme of wireless networks. An adaptive algorithm of ACs number adjustment that is based on mean frame delay analysis has been developed and investigated. According to the proposed algorithm each station in the wireless network after successful transmission stores frame delay value into an internal buffer. Buffer size is fixed and is equal to simple mean average window length. Simple mean average is being used to calculate an average frame delay. Calculated average frame delay is being compared to some reference frame delay value. Analysing ratio between calculated and reference frame delays station is being able to estimate a load level of the wireless network. Ratio between two delay values is an indicator of increasing/decreasing of network load. If the ratio is larger/smaller then some threshold, then station decreases/increases the ACs number and sets the calculated average frame delay as the new reference value. Proposed adaptive algorithm enhances total wireless network throughput on 20-46% and decreases average frame delay and collision intensity on 30-40% if offered network load is within a range 50-100%. According to the simulation results in case of large network the total throughput increases by half that allows transmit high-priority traffic more on 30-50%. Investigation of the proposed algorithm also shows that the highest throughput profit is achieved for the wireless network of large size and under high load conditions. Разработанная программная реализация метода управления доступом к физической среде беспроводной компьютерной сети позволяет исследовать ее работу и характеризуется возможностью изменять и дополнять стандартные схемы доступа к среде, характеристики потоков трафика, состояние среды, параметры МАС- и физического уровней, моделировать и анализировать разветвленные беспроводные сети. С помощью разработанной компьютерной модели управления доступом к физической среде осуществлено исследование работы беспроводной сети при различных условиях функционирования (количество станций, загруженность, соотношение высоко- и низкоприоритетного трафиков). Было показано, что общая пропускная способность беспроводной сети на МАС-подуровне зависит от количества категорий доступа в схеме доступа EDCA. При определенных условиях функционирования общая эффективность схемы доступа EDCA ниже эффективности функционирования схемы доступа DCF. Согласно проведенному исследованию были определены критерии для разработки метода улучшения эффективности работы МАС-подуровня беспроводной сети. На основе результатов проведенного исследования разработан адаптивный метод доступу к физической среде, который дает возможность повысить общую пропускную способность сети на 20-46%, а также снизить среднее время доставки кадра и уровень интенсивности коллизий на 30-40% в диапазоне желаемой загруженности сети 50-100%.