Основною метою даної статті є розробка критеріїв перемикання об'єкта з однієї бездротової технології зв'язку на іншу. Дано короткий опис кожного з критеріїв, визначено алгоритм розподілу навантаження в мережі. Визначено коло використовуваних технологій передачі даних.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Пакулова Катерина Анатоліївна


SWITCHING CRITERIONS IN VERTICAL HANDOVER TASKS IN MONITORING SYSTEM OF MOBILE AND FIXED OBJECTS

The main subject of this article is development of switching criterions from on wireless technology to another. The concise descriptions of each criterion and load distribution algorithm are given. The spectrum on wireless technologies is specified.


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2010


    Журнал: Известия Південного федерального університету. Технічні науки


    Наукова стаття на тему 'Критерії перемикання об'єкта при вирішенні задач вертикальної передачі даних в системі моніторингу та диспетчеризації рухомих і стаціонарних об'єктів'

    Текст наукової роботи на тему «Критерії перемикання об'єкта при вирішенні задач вертикальної передачі даних в системі моніторингу та диспетчеризації рухомих і стаціонарних об'єктів»

    ?Старченко Ірина Борисівна

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Kirichenko Igor Alekseevitch

    Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education "Southern Federal University".

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    2, Shevchenko street., Taganrog, 347922, Russia.

    Phone: +78634371795.

    Pivnev Peter Petrovitch

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Starchenko Irina Borisovna

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    681.3

    Е.А. Пакулова

    КРИТЕРІЇ ПЕРЕМИКАННЯ ОБ'ЄКТА ПРИ ВИРІШЕННІ ЗАВДАНЬ ВЕРТИКАЛЬНОЇ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ У СИСТЕМІ моніторингу і диспетчеризації РУХЛИВИХ І СТАЦІОНАРНИХ ОБ'ЄКТІВ

    Основною метою даної статті є розробка критеріїв перемикання об'єкта з однієї бездротової технології зв'язку на іншу. Дано короткий опис кожного з критеріїв, визначено алгоритм розподілу навантаження в мережі. Визначено коло використовуваних технологій передачі даних.

    Бездротова мережа; стандарту IEEE 802.11g; IEEE 802.16e; IEEE 802.21; UMTS; гетерогенна бездротова мережа; система моніторингу і диспетчеризації рухомих і стаціонарних об'єктів; алгоритм вертикальної передачі даних; тригери канального рівня моделі OSI.

    Е.Л. Pakulova

    SWITCHING CRITERIONS IN VERTICAL HANDOVER TASKS IN MONITORING SYSTEM OF MOBILE AND FIXED OBJECTS

    The main subject of this article is development of switching criterions from on wireless technology to another. The concise descriptions of each criterion and load distribution algorithm are given. The spectrum on wireless technologies is specified.

    Wireless technology; IEEE 802.11g; IEEE 802.16e; IEEE 802.21; UMTS; heterogeneous wireless network; monitoring system of mobile and fixed objects; vertical handover algorithm; link layer triggers.

    За останні роки уряди розвинених країн занепокоїлися питанням безпеки руху на дорогах. З'являється все більше програм, що ставлять перед собою мету збільшення рівня безпеки громадян на дорогах, зменшення ймовірності пробок на автотранспортних магістралях, контролю пересування транспортних засобів та ін. Для реалізації подібних програм в кінці XX ст. були організовані робочі групи Європи, США та Азії. Вже зараз розроблені цілі серії стандартів, що охоплюють різні галузі функціонування всієї транспортної системи світу. Введено основне поняття інтелектуальної транспортної системи (ITS). Під ITS розуміється сукупність обчислювальних засобів, засобів зв'язку, технологій позиціонування і автомати-

    зації, що використовують доступні в існуючій транспортній системі дані з метою підвищення рівня безпеки наземного транспорту і поліпшення ефективності його роботи [1]. Поняття ITS - комплексне, і включає в себе величезну кількість різних підсистем і служб. Зокрема, в рамках роботи над ITS були розроблені і впроваджені такі підсистеми як інформаційна підсистема зупинок громадського транспорту, підсистема адаптивного управління транспортним потоком, підсистема паркування ТЗ, підсистема навігації ТЗ та ін. В тому числі в межах поняття ITS можна виділити цілий клас систем моніторингу і диспетчеризації стаціонарних та рухомих об'єктів (СМДСПО). Як правило, вони призначені для визначення місця розташування об'єкта системи, контролю і обліку його технічних і експлуатаційних характеристик, контролю маршруту пересування рухомих об'єктів, оповіщення власника в разі тривоги через сервіси бездротового зв'язку.

    В цей же час отримали повсюдне поширення громадські, корпоративні та домашні бездротові мережі, що працюють в стандартах ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX і 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Всі ці стандарти до недавнього часу використовувалися кожен в своїй галузі і мали свою зону покриття. Однак в рамках поняття інтелектуальної транспортної системи з'явилася необхідність їх об'єднання в гетерогенную бездротову мережу - для здійснення безперервного зв'язку об'єктів системи, підвищення рівня її надійності, оптимізації процесів зв'язку. Для вирішення даного завдання була створена група стандартів CALM (Communications Architecture for Land Mobile environment) організації ISO, стандарт IEEE 802.21 або MIH (Media Independent Handover), а також запропоновано велику кількість рішень різних наукових організацій.

    У цій статті розглянемо критерії перемикання рухомих об'єктів СМДПСО, що впливають на вибір тієї чи іншої точки доступу або базової станції стандартів IEEE 802.11g, IEEE 802.16e або UMTS в рамках розробленого алгоритму вертикального перемикання (Vertical Handover Algorithm, VHA). Даний алгоритм базується на стандарті IEEE 802.21, який надає необхідний інтерфейс взаємодії для технологій зв'язку стандартів IEEE 802.3, IEEE 802.11, IEEE 802.16 і 3GPP за допомогою незалежного від них абстрактного рівня, розташованого між канальним і мережевим рівнями моделі протоколів передачі даних OSI (Open Systems Interconnection, взаємодія відкритих систем). На даному рівні визначена функція «перемикання, незалежного від носія» (media independent handover, MIH). Основним завданням функції MIH є координація передачі інформації і команд між різними механізмами, залученими в процедуру прийняття рішення про переключення з одного стандарту зв'язку на інший і його виконанні [2].

    Метою алгоритму вертикального перемикання є оптимізація розподілу навантаження в гетерогенної бездротової мережі і, як наслідок, підвищення швидкості передачі даних від рухомих об'єктів СМДПСО з урахуванням вимог до каналу зв'язку та системі кожного бортового пристрою рухомого об'єкта.

    Реалізація алгоритму VHA дозволить підвищити надійність всієї системи, а також інтегрувати існуючі системи безпеки різних стандартів бездротового зв'язку при передачі інформації від рухомого об'єкту на диспетчерський пункт (ДП) в єдиній системі моніторингу та диспетчеризації.

    Слід зауважити, що алгоритм VHA повинен бути реалізований на кожній точці доступу (базової станції) кожної обслуговуючої MN мережі. Функція MIH стандарту IEEE 802.21 вирішує проблеми обміну стандартними повідомленнями між різними бездротовими мережами (або точками доступу) про поточний перебуваючи-

    ванні зв'язку, навантаженні по потоку повідомлень, пропускної здатності мережі та інше. Таким чином, всю необхідну інформацію для прийняття рішення про переключення VHA отримує за допомогою стандарту IEEE 802.21, а саме інформацію тригерів канального рівня (Link Layer Triggers, LLT). Серед основних тригерів канального рівня, що беруть участь в процедурі перемикання, можна виділити:

    | Link_Up - тригер підключення до мережі, означає, що мобільний об'єкт підключений до точки доступу або базової станції. У деяких протоколах на цій стадії вже пройшла взаємна аутентифікація.

    | Link_Down - тригер розриву з'єднання, означає розрив з'єднання між мобільним об'єктом і точкою доступу або базовою станцією.

    | Link_Quality_Crosses_Threshold - тригер порога якості зв'язку, оповіщає про те, що якість зв'язку впало нижче певного порогу і залишається на тому ж рівні деякий проміжок часу.

    | Link_Going_Down - тригер можливого розриву зв'язку, попереджає, що незабаром можлива ситуація розриву з'єднання.

    | Link_Going_Up - трігерр можливого встановлення зв'язку, попереджає, що незабаром можлива ситуація встановлення з'єднання.

    | Trigger_Rollback - тригер відкату має місце бути тільки спільно з тригерами Link_Going_Down і Link_Going_Up, у випадках коли, наприклад, очікується, що зв'язок перерветься (спрацював Link_Going_Down), але протягом певного проміжку часу зв'язок відновлюється, в результаті чого процесу, котрий породив Link_Going_Down, буде відправлений Trigger_Rollback.

    | Better_Signal_Quality_AP_Available - тригер доступності точки доступу з кращими параметрами зв'язку, має місце бути в тому випадку, якщо у мобільного об'єкта з'явилася можливість з'єднання з іншою точкою доступу та базовою станцією з кращими параметрами зв'язку [3].

    Виходячи з цього, визначимо два основних критерії перемикання:

    1) рівень одержуваного мобільним об'єктом сигналу падає нижче допустимого порогу;

    2) в зоні видимості мобільного об'єкта з'являються інші мережі з більш високою швидкістю передачі даних і більшою шириною пропускного каналу мережі.

    Конкретизуємо основні умови перемикання для алгоритму VHA СМДПСО. Для цього введемо обмеження на три стандарти зв'язку: IEEE802.11g, IEEE 802.16e і UMTS. Це необхідно для спрощення моделі СМДСПО, проте в подальшому спектр стандартів можливо буде розширено.

    Отже, можливі три ситуації.

    1. Рухомий об'єкт обслуговується однією з точок доступу (Access Point, AP) стандарту IEEE 802.11g. Протягом певного проміжку часу отримується рухомим об'єктом сигнал (Received Strength Signal) від точки доступу падає нижче певного порогу. В результаті чого об'єкт стає кандидатом для перемикання на будь-які доступні базові станції стандартів IEEE 802.16e і 3GPP, а також будь-які інші точки доступу стандарту IEEE 802.11g (у яких Qа < RSSa), які відповідають вимогам об'єкта.

    2. Рухомий об'єкт обслуговується базовою станцією BSb (Base Station)

    стандарту IEEE 802.16e. Якщо протягом певного проміжку часу рухомий об'єкт отримує відомості про те, що рівень сигналу від однієї або декількох точок доступу стандарту IEEE 802.11g перевищив деякий певний поріг (), то об'єкт стає кандида-

    тому для перемикання на точки доступу мережі стандарту IEEE 802.11g. У разі, якщо в зоні видимості об'єкта немає точок доступу WiFi, а рівень одержуваного рухомим об'єктом сигналу RSSb від базової станції стандарту IEEE 802.16e впав нижче певного порогу Qь, то об'єкт стає кандидатом для перемикання на базові станції стандартів IEEE 802.16e і UMTS, які відповідають вимогам об'єкта.

    3. Рухомий об'єкт обслуговується базовою станцією (BSJ стандарту UMTS. Якщо протягом певного проміжку часу MN отримує відомості про те, що рівні сигналів (RSSa і RS S ь) від однієї або декількох точок доступу або базових станцій стандартів IEEE 802.11g і IEEE 802.16 e перевищили деякі певні пороги Qа (Qа < RSSa) або (), то об'єкт стає кандидатом для перемикання на

    точки доступу мережі стандарту IEEE 802.11g або на базові стації стандарту IEEE 802.16e. У разі, якщо в зоні видимості рухомого об'єкту немає точок доступу WiFi або базових станцій мережі WiMAX, а рівень одержуваного об'єктом сигналу від базової станції стандарту UMTS впав нижче певного порогу, то об'єкт стає кандидатом для перемикання на інші базові станції стандарту UMTS, які відповідають вимогам об'єкта або кандидатом для перемикання в режим альтернативної передачі даних (розгляд даного режиму не входить в коло питань, що розглядаються цієї статті).

    Слід також зазначити, що крім доступності для рухомого об'єкту точок доступу або базових станцій при ухваленні рішення про переключення враховується ступінь їх завантаженості.

    Крім основних умов перемикання, враховуються також додаткові критерії, встановлені диспетчером СМДПСО і характеризують вимоги конкретного рухомого об'єкта до мережі передачі даних.

    Отже, серед додаткових критеріїв перемикання можна виділити:

    | Вартість послуг передачі даних;

    | Швидкість передачі даних;

    | Якість обслуговування мережі;

    | Пріоритет об'єкта в системі;

    | Рівень безпеки мережі.

    Практично всі ці дані, побічно або безпосередньо, алгоритм VHA отримує від інформаційного сервісу функції MIH стандарту IEEE 802.16e, а саме від наступних інформаційних елементів (Information Element, IE):

    | List of networks available - список доступних бездротових мереж;

    | Operator - ім'я оператора зв'язку;

    | ^ St - вартість послуг зв'язку;

    | Security - алгоритми безпеки, підтримувані канальним рівнем (наприклад, WEP для IEEE 802.11 і PKM для IEEE 802.16);

    | Quality of Service - параметри якості обслуговування мережі [2].

    Тепер опишемо математичною мовою параметри бездротової гетерогенної мережі, які є важливими для алгоритму VHA, в тому числі і вже викладені.

    Перш за все, визначимо склад гетерогенної мережі - визначимо три безлічі:

    | Безліч точок доступу (Access Point, AP) стандарту IEEE 802.11g як

    непорожнє кінцеве безліч;

    | Безліч базових станцій (Base Station, BSb) стандарту IEEE 802.16e як

    непорожнє кінцеве безліч;

    | Безліч базових станцій (Base Station, BSc) стандарту UMTS як непорожнє кінцеве безліч .

    Тепер визначимо безліч всіх рухомих об'єктів як непорожнє кінцеве безліч. Оскільки рухомий об'єкт постійно пере-

    міщан, він може переходити від однієї базової станції (точки доступу) до іншої, при цьому втрачаючи на деякий час зв'язок і запитуючи процедуру перемикання на інший стандарт зв'язку. Тому розіб'ємо безліч всіх рухомих об'єктів на два підмножини: на ті рухомі об'єкти, які мають хорошу стабільну зв'язок зі своєю точкою доступу (або базовою станцією), і ті, які знаходяться в процесі пошуку пункту підключення і стабільного зв'язку не мають.

    Таким чином, нехай є безліч рухомих

    об'єктів, на якій знаходяться процедуру перемикання в момент часу t, де n1, n2, ..., nm (t) - відповідні індекси рухомих об'єктів, в той час як є непорожнє кінцеве безліч об'єктів, що мають добре сполучення.

    Очевидно, що в один і той же момент часу об'єкт може обслуговуватися тільки однією технологією зв'язку серед IEEE 802.11g, IEEE 802.16e і UMTS. Виходячи їх цього розіб'ємо безліч Vt на три підмножини залежно від того, до якої з них обслуговується об'єкт .

    Кожна мережа бездротової передачі даних може обслуговуватися різними операторами зв'язку. Тому виділимо непорожнє кінцеве безліч операторів зв'язку O, в якому, в свою чергу, опишемо три підмножини, в зави-

    ності від стандарту зв'язку, що підтримує цими операторами, IEEE 802.11g, IEEE 802.16e і UMTS. Відзначимо, що інформацію про операторів зв'язку Оа, Оb і Ос алгоритм VHA отримує від одного з інформаційних елементів функції MIH стандарту IEEE 802.21.

    Залежно від мережі зв'язку та обслуговуючого її оператора зв'язку варіюється і вартість послуг, що надаються рухомого об'єкту. Визначимо її як PCost - це один з додатковий критеріїв, що враховуються при перемиканні. Цей критерій також визначено одним з інформаційних елементів функції MIH стандарту IEEE 802.21.

    Тепер визначимо поняття швидкості передачі даних. Цей критерій перемикання вкрай важливий при виборі тієї чи іншої мережі зв'язку. Реальна швидкість передачі даних в будь-якій мережі істотно нижче швидкості підключення. Тому визначимо поняття реальної швидкості для рухливих об'єктів множин

    Т7 (а) Т7 (Ь) Т7 (с) (а) (Ь) (с) ~

    як відповідно. Очевидно, що для рухливих

    об'єктів, залучених до процедури перемикання, реальну швидкість визначити не можна, так як у них немає стабільного зв'язку ні з однією точкою доступу або базовою станцією. Тому для кожного рухомого об'єкта з безлічі U t визначимо () необхідну швидкість передачі даних. Це і буде другим

    додатковим критерієм для перемикання об'єкта. Таким чином, при пошуку рухомим об'єктом точки доступу або базової станції останні повинні забезпечити швидкість не нижче Tj.

    Для цього визначимо параметр завантаженості точки доступу (або базової станції) і відповідно можливої ​​наданої рухомого об'єкту швидкості W j (Wj >Tj).

    Для більш простого опису системи опустимо значення часу у величезних кількостях Ut, Vt, Vt, Vt (^, Vt (^ а натомість введемо нові безлічі U, V, Va, Vb, Vc. Отже, визначимо діюче навантаження на точку доступу як

    Навантаження на базову станцію Ьь ЕВ (1 + М<1<М + К) буде визначатися як

    У'

    і навантаження на базову станцію визначається

    як

    Алгоритми розподілу швидкості для точок доступу і базових станцій описані в стандартах IEEE 802.11g, IEEE 802.16e і UMTS, визначимо їх як відповідно. Таким чином, можлива надається для рухомого об'єкту швидкість буде залежати від діючої на точку доступу або базову станцію навантаження, і визначатися алгоритмом розподілу швидкості Da, Db і Dc, тобто.

    для AP ,

    для BSb ,

    для BSc c ЄС (l + N + K<i<N + K + M) wc = Dc (pc) .

    При виборі точки підключення рухомий об'єкт серед всіх інших умов повинен перевірити умова (Wj >rj). Якщо воно виконується, то рухомий об'єкт може розглядати точку доступу або базову станцію як точку можливого підключення, в іншому випадку - ні.

    Третій додатковий критерій - критерій якості обслуговування мережі (Quality of Service, QoS). Він визначає гарантований рівень надійності мережі і означає ймовірність того, що мережа зв'язку відповідає заданому угодою про трафік.

    Основними параметрами QoS вважаються:

    | Смуга пропускання (Bandwidth) - визначає ширину каналу;

    | Затримка при передачі пакета (Latency);

    | Коливання затримки при передачі пакетів (Jitter);

    | Втрата пакетів (Dropped packets);

    | Помилки при передачі (Errors);

    | Тощо.

    Таким чином, рухомий об'єкт може взаємодіяти тільки з тими точками підключення (AP, BSb або BSc), які зможуть забезпечити належний рівень QoS.

    Четвертим додатковим критерієм для перемикання є пріоритет об'єкта в системі PSigj. Він встановлює диспетчером системи для кожного об'єкта і висловлює важливість об'єкта в системі. Пріоритет об'єкта в системі необхідний для вирішення конфліктів об'єктів при підключенні до однієї і тієї ж точки доступу або базової станції. Об'єкт з більш високим рівнем пріоритету має більше шансів на підключення.

    П'ятим критерієм при перемиканні є рівень безпеки передачі даних. Як відомо, в будь-якому стандарті групи IEEE і в стандарті UMTS визначені алгоритми забезпечення безпеки переданих даних. Метою даної статті не є їх розгляд і порівняння. Ми лише визначимо па-

    Рс = Т.ЩЕ vce (C, j, rne l + N + К < и < N + К + М.

    параметром безпеки PSec. У нашій системі визначені три таких параметра: PSeca, PSecb і PSeQ. Як уже згадувалося раніше, необхідні дані про параметри безпеки. Алгоритм VHA отримує за допомогою одного з інформаційних елементів функції MIH стандарту 802.21.

    Таким чином, при виборі тієї чи іншої мережі об'єкт за допомогою алгоритму VHA спирається на основні та додаткові критерії перемикання, які визначають доступність точок підключення з більшою шириною пропускного каналу, можливу надається рухомого об'єкту швидкість, рівень безпеки можливого підключення, а також його вартість. Всі ці дані дозволяють алгоритму VHA розподілити навантаження в мережі і підвищити загальний рівень безпеки, що вкрай важливо для системи з великою кількістю різнотипних об'єктів, якою є СМДПСО.

    БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

    1. International Telecommunication Union, "Intelligent Transport system and CALM", ITU-T Technology Watch Report # 1, October 2007.

    2. Institute of Electrical and Electronics Engineers, "IEEE Standard for Local and metropolitan area networks - Part 21: Media Independent Handover Services", IEEE Std 802.21, 2008.

    3. Vivek G Gupta, David Johnston, Intel Corporation. A Generalized Model for Link Layer Triggers, IEEE 802.21, 2004.

    Пакулова Катерина Анатоліївна

    Технологічний інститут федерального державного автономного освітнього закладу вищої професійної освіти «Південний федеральний університет» в м Таганрозі.

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    347900, м Таганрог, вул. Чехова, 2, кім. 412.

    Тел .: +79185299149.

    Pakulova Ekaterina Anatol'evna

    Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Autonomy Establishment of Higher Vocational Education "Southern Federal University".

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Room 412, 2, Chekhov street, Taganrog, 347900.

    Phone: +79185299149.


    Ключові слова: БЕЗДРОТОВА МЕРЕЖА /СТАНДАРТУ IEEE 802.11G /IEEE 802.16E /IEEE 802.21 /Гетерогенність БЕЗПРОВІДНА МЕРЕЖА /СИСТЕМА моніторингу і диспетчеризації РУХЛИВИХ І СТАЦІОНАРНИХ ОБ'ЄКТІВ /АЛГОРИТМ ВЕРТИКАЛЬНОЇ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ /Тригер канального рівня МОДЕЛІ OSI /IEEE 802.11G /UMTS /WIRELESS TECHNOLOGY /HETEROGENEOUS WIRELESS NETWORK /MONITORING SYSTEM OF MOBILE AND FIXED OBJECTS /VERTICAL HANDOVER ALGORITHM /LINK LAYER TRIGGERS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити