РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ
Факультет физико-математических и естественных наук
Кафедра «Систем телекоммуникаций»
Направление: 010300 — «Математика. Компьютерные науки»
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой
д.т.н., профессор
____________ К.Е. Самуйлов
«
»
20
г.
Курсовая работа
(весенний семестр 2009-2010 учебного года)
К анализу вероятности потери пакета в сети
Bluetooth
Студент
Петров Иван Иванович
Группа
НК-301
Научный руководитель
Вид задания
1. Рубежная аттестация
2. Курсовая работа
3. Итоговая аттестация
д.т.н., профессор
___________ И.И. Иванов
«
»
20 г.
Кол-во баллов
0-40
0-40
0-20
Итого
Москва
Сумма баллов
2010
3
Оглавление
Список сокращений .......................................................................................................... 3
Список обозначений ......................................................................................................... 4
Введение ............................................................................................................................ 5
1. Характеристика технологии Bluetooth ......................................................................... 6
1.1. История возникновения технологии Bluetooth .................................................... 6
1.2. Принципы построения сети Bluetooth .................................................................. 7
1.3. Уровень радиосвязи и уровень немодулированной передачи стека
протоколов Bluetooth ..................................................................................................... 9
2. Вероятность потери пакета в сети Bluetooth ............................................................. 10
2.1. Коллизии и потери пакетов в Bluetooth .............................................................. 10
2.2. Анализ эффективности формулы вероятности потери пакета ......................... 12
Заключение ...................................................................................................................... 13
Литература ....................................................................................................................... 14
Приложение 1. Графики зависимости вероятности блокировки от нагрузки .......... 15
4
Список сокращений
Русскоязычные сокращения
ЛВС
Локальная вычислительная сеть
Англоязычные сокращения
WLAN
Wireless Local Area Network
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
PAN
Personal Area Network
5
Список обозначений
G(V,E)
Граф (орграф) с множеством вершин V и множеством ребер
(дуг) E.
f(u,v)
Поток
по
дуге
(u,v),
или
нагрузка
отношение (u,v)
w(u,v)
Пропускная способность дуги или пучка ЗС.
на
сигнальное
6
Введение
За последние годы рынок беспроводной связи сильно вырос.
Беспроводные технологии можно встретить повсюду. Самым простым
примером использования беспроводной связи могут послужить сотовые
телефоны.
Теперь
беспроводная
связь
используется
и
для
обмена
информации между компьютерами, т.е. имеется возможность создавать
беспроводные локальные сети. Пользователи могут формировать локальные
сети, просто находясь рядом, для этого не нужны никакие провода.
Например,
используя
ноутбуки,
оборудованные
соответствующими
радиоустройствами, группа людей на деловой встрече может сформировать
локальную сеть и использовать ее для работы с общими документами.
Используя такую сеть можно без проблем передать файл с одного
компьютера на другой, и при этом нет никакой нужды протягивать провода.
Беспроводная локальная сеть не ограничена инфраструктурой здания, как,
например, Ethernet.
Одним из средств для создания беспроводной сети является
технология Bluetooth. Сети, созданные на базе этой технологии называются
персональными вычислительными сетями (PAN, Personal Area Network).
В первой части работы в соответствии с [1, 3–6] описана история
возникновения технологии Bluetooth, рассмотрены принципы построения
сетей на базе этой технологии. Также в первой части рассмотрены нижние
уровни стека протоколов Bluetooth.
Во второй части рассматриваются причины возникновения коллизий.
Рассматривается вероятность потери пакета в сети Bluetooth [1, 2], формула
для ее вычисления, полученная преобразованием формулы из [1].
В заключительной части представлены результаты применения
формулы для вычисления вероятности потери пакета и сравнение этих
результатов с полученными на практике опубликованные в [1].
7
1. Характеристика технологии Bluetooth
В данном разделе описана краткая характеристика технологии
Bluetooth, необходимая для дальнейшего рассмотрения возникновения
коллизий и потерь пакетов в сетях Bluetooth.
1.1. История возникновения технологии Bluetooth
В 1994 году компания Ericsson заинтересовалась вопросом создания
беспроводной
связи
между
мобильными
телефонами
и
другими
устройствами. В 1998 году Ericsson совместно с компаниями Nokia, IBM,
Toshiba и Intel сформировали группу для создания беспроводной технологии,
служившей для замены кабелей беспроводными устройствами (например,
соединения принтера с компьютером). Технология получила название
Bluetooth, в честь короля Гаральда Синего Зуба II (XX век), который
объединил враждующие племена викингов (он сделал это без помощи
проводов).
В дальнейшем технология Bluetooth стала развиваться в направлении
создания беспроводных самоорганизующихся (ad hoc) сетей небольшого
размера (PAN). PAN стали конкурентом WLAN (Wireless Local Area Network)
на базе стандарта IEEE 802.11.
В 1999 году группой Bluetooth была выпущена первая спецификация
Bluetooth V1.0, в которой были описаны уровни стека протоколов от
физического до прикладного. В 2001 году появилась вторая спецификация
V1.1 [3]. На прикладном уровне в данной спецификации описываются 13
конкретных приложений, называемых профилями.
В 2002 IEEE утвердил первый стандарт персональных сетей 802.15.1.
В нем, как и в остальных документах 802.x рассматриваются только
физический уровень и подуровень управления доступом к среде. Существуют
различия между стандартами группы Bluetooth и 802.15, но в дальнейшем
ожидается объединение этих двух стандартов.
8
Можно выделить три основных области применения технологии
Bluetooth [1]: использование технологии Bluetooth для замены проводов
(точка-точка приложения); создание точек доступа (AP, Access Point) для
подсоединения к Internet или другим внешним сетям; PAN.
Использование
Bluetooth
вместо
проводов
создает
простоту
соединения устройств. Bluetooth может быть использован для соединения
мобильных телефонов с наушниками; принтера, клавиатуры и мыши с
компьютером. Использование беспроводных соединений решает многие
проблемы, связанные со стандартизацией кабелей.
Bluetooth может быть использован для создания дешевых точек
доступа, обеспечивающих безопасные каналы, которые могут использоваться
для различных транзакций (поиск информации, произведение оплат и т.д.).
Точки доступа также используются для доступа к другим сетям.
Технология Bluetooth позволяет создавать недорогие (микросхема
Bluetooth стоит менее $5) и эффективные персональные вычислительные
сети. Типичный сценарий применения PAN – конференц-зал, где видео
проектор соединяется с PC выступающего, и презентация записывается на
PC присутствующих слушателей. PAN может найти широкое применение как
дома, так и в офисе.
1.2. Принципы построения сети Bluetooth
Базовой единицей
сети Bluetooth является пикосеть (piconet),
состоящая из одного главного узла (master) и нескольких подчиненных узлов
(slave). Пикосеть может содержать до семи подчиненных узлов. Радиус
пикосети (с главным узлом в центре) составляет 10 м. Подчиненные узлы
могут взаимодействовать только через главный узел.
В одном помещении (достаточно большом) могут находится несколько
пикосетей, которые могут взаимодействовать, образуя рассеянную сеть
(scatternet). Пикосети связываются посредством узлов-мостов, которые
принадлежат всем связываемым пикосетям. Мост может являтся главным
9
узлом только в одной пикосети, а может быть подчиненным во всех
пикосетях.
Помимо семи активных узлов главный узел может поддерживать до
255 отдыхающих (приостановленных) узлов. Это узлы, переведенные в
режим пониженного энергопотребления. Существуют три вида режимов
пониженного энергопотребления:
 удерживающий режим (hold mode) используется, когда узел должен
«заснуть» на указанный промежуток времени (все узлы пикосети
переводятся в этот режим, когда главный узел ищет новые узлы,
 sniff режим (sniff mode). В этом режиме узлы периодически
обращаются к главному узлу,
 приостанавливающий режим (park mode) аналогичен sniff режиму,
но в нем подчиненные узлы синхронизированы с главным узлом.
Пример рассеянной сети, состоящей из двух пикосетей изображен на
рис. 1.1.
Главный узел
Пикосеть
S
S
S
S
S
M
M
S
S
S
S
Активный
подчиненный
узел
S
Подчиненный
узел-мост
Рис. 1.1 Рассеянная сеть
S
Отдыхающий
подчиненный
узел
10
1.3. Уровень
радиосвязи
и
уровень
немодулированной
передачи стека протоколов Bluetooth
В Bluetooth используется маломощная приемопередающая система с
радиусом действия порядка 10 м. Она работает в нелицензируемом диапазоне
2,4 ГГц. Поскольку сети 802.11b работают в том же диапазоне, пакеты
Bluetooth и WLAN интерферируют. Весь диапазон делится на 79 каналов по
1 МГц. В качестве модуляции используется частотная манипуляция с 1 битом
на герц, т.о. скорость канала составляет 1 Мбит/с.
Кадры между узлами передаются по логическому соединению.
Существует два типа соединений: ACL (Asynchronous Connectionless –
асинхронное без установления связи) и SCO (Synchronous Connection
Oriented – синхронное с установлением связи). Первый тип используется для
коммутации пакетов данных, второй – для передачи данных в реальном
масштабе времени (например, телефонный разговор).
11
2. Вероятность потери пакета в сети Bluetooth
2.1. Коллизии и потери пакетов в Bluetooth
На рис. 2.1 изображен пример возникновения коллизии.
Пикосеть 2
Пикосеть 1
S
S
S
S
M1
M2
S
S
S
S
M3
RR
S
S
Пикосеть 3
Рис. 2.2. Возникновение коллизии
Введем событие PL (Packet Loss) обозначающее факт потери пакета в
сети, т.е. PL={потеря пакета, принимающегося RR}.
Для
возникновения
коллизии
необходимо,
чтобы
сигналы
«мешающие» принимать нужный пакет имели достаточную мощность.
Поэтому потеря пакета обычно рассматривают как падение отношения
мощности приходящего сигнала к сумме мощности интерференции и шума в
радиоканале
на
RR
ниже
определенного
порога
(зависящего
от
используемого оборудования).
Мы рассмотрим рассеянную сеть, состоящую из M+1 пикосети. Одна
пикосеть содержит RR, т.о. имеются M пикосетей с исходящими сигналами
которых возможна интерференция.
12
В рассматриваемом случае событие PL можно описать следующей
формулой:




C


P
L
(M
)M

0
,

mm
YN 


m1

через C обозначается мощность принимаемого RR сигнала, N – мощность
шума,
0 – порог возникновения коллизии.
M
mYmN

m
1
– суммарная
мощность интерференции, где Ym – мощность сигнала, приходящего от m-ой
пикосети (замеренная на RR).  m – с.в. имеющая распределение Бернулли с
параметром pm. С. в.  m равна 1, если m-ая пикосеть осуществляет передачу
на частоте RR, и 0 в противном случае.
Пример таблицы:
Табл. 2.1. Формат заполнения входного и выходного файлов
Входной файл для примера
Файл с результатами работы
программы для примера
0220
0003
0001
0000
0220
0003
0001
0000
0000
0000
0000
0000
0210
0002
0001
0000
0
3
0
3
Рассмотрев событие потери пакета в сети, можно перейти к
рассмотрению вероятности этого события. Анализ формулы вероятности
потери пакета
Обозначим вероятности потери пакета в рассеянной сети, состоящей
из M пикосетей, через PLP(M). Тогда PLP(M)=P(PL(М)) и из (2.1):
13




C


P
(
M
)




P
L
0
M
.

mm
YN 


m1

Мы рассматриваем двумерное пространство. C и Y – случайные
величины, с плотностями распределения fC  x  и fY  x  соответственно.
2.2. Анализ эффективности формулы вероятности
потери пакета
Для демонстрации эффективности формулы (2.5) ниже приведены
результаты опубликованные в [1]. Были проведены испытания для сравнения
результатов, полученных по формуле (2.5), с результатами полученными на
практике. В каждом испытании M главных узлов случайно располагались в
прямоугольной области. Каждый из M узлов формирует пикосеть с Ns
активными подчиненными узлами (в радиусе 10 метров). Следуя [3] WT
устанавливается равной 0 dBm (дБ/мВт).
На рис. 2.1 [1] представлено сравнение результатов, полученных по
формуле (2.2), и из проведенных испытаний для разных положений RR. Для
получения коэффициентов  m использовалось дискретное приближение
функций fC  x  и fY  x  [4]. Шаг переменной x указан на рис. 2.1. Из графика
видно результаты опыта ближе к теоретическим с уменьшением Δ (при этом
повышается время вычисления). Также из графиков видно, что вероятность
потери пакета существенно зависит от положения RR.
14
Заключение
Текст заключения.
15
Литература
1. Таненбаум Э. Компьютерные сети. — Спб.: Питер, 2003.
2. Universal
Mobile
Telecommunication
System
(UMTS);
Selection
Procedures for the Choice of Radio Transmission Technologies of the
UMTS // ETSI, Technical Report TR 101 112 v3.2.0. — 1998.
3. Подбельский В. В. Язык С++. — М.: Финансы и статистика, 2002.
4. Павловская Т. А. С/С++ Программирование на языке высокого
уровня. — Спб.: Питер, 2006.
 
M
P
PK
,bM
C и её
5. Коновалова В.А., Самуйлов К.Е. Система M
применение к анализу пульсирующего трафика // XLIV Всероссийская
конференция по проблемам математики, физики и химии: Тезисы
докладов. Секция математики и информатики. — М., 2008. — С. 130–
225.
16
Приложение 1. Графики зависимости вероятности
блокировки от нагрузки
Здесь должен быть текст приложения.