Сравнительный анализ протоколов MAC

Сравнительный анализ протоколов MAC. На основании рассмотренных выше принципов интегрированной архитектуры all- MPLS/ATM-MFMAC целесообразно сформулировать основные требования к усовершенствованным протоколам DynQoS-MAC, ориентированным на развитие динамического управления, и на основе этих требований провести обзор и сравнительный анализ возможностей известных методов, с целью обоснования эффективных направлений усовершенствования MAC.

Протокол MAC управления множественным доступом, получивший название простая (pure) Aloha, был впервые предложен N. Abramson в 1970 году для обеспечения доступа в вычислительный центр Гавайского университета (США) пользователям, находящимся на островах Гавайского архипелага [19]. Это был классический протокол свободного (случайного) доступа с весьма небольшой пропускной способностью, не превышающей 1/2e, т.е. около 18,4 % полезного использования канала. В 1972 году G. Roberts предложил широко известный протокол тактированная (slotted) Aloha [20]. Благодаря тактированию, удалось удвоить пропускную способность. Следующий фундаментальный вклад в технику MAC был сделан в 1975 году американскими учеными L. Kleinrock и F. Tobagi, которые предложили несколько разновидностей классического протокола множественного доступа с проверкой несущей CSMA [21]. В России исследования методов множественного доступа были начаты в конце 60-х годов применительно к задачам управления по радиоканалам подвижными производствами [22]. В 1969 году были предложены и проанализированы [22] несколько методов множественного доступа, которые оказались аналогичными протоколам простая и тактированная Aloha , а также некоторым вариантам протокола CSMA. Тогда же был обнаружен и опубликован положительный эффект тактирования [22]. Большинство других классических методов свободного, контролируемого и смешанного множественного доступа были предложены и опубликованы также в 70-х и 80-х годах прошлого века [23-27].

После «прорыва» в MAC технологии множественного доступа и разработки серии стандартов канального подуровня доступа (IEEE 802 и других) наступило некоторое «затишье»: основное внимание исследователей оказалось привлеченным к протоколам верхних уровней. Анализ опубликованных в последние годы предложений MAC для спутниковых сетей, например [28], показывает, что, фактически, в них рассматриваются непринципиальные улучшения и комбинации известных классических методов. Следовательно, проблема выдвижения новых идей и радикального усовершенствования технологий MAC для будущих спутниковых и мобильных сетей встала со всей остротой.

Какое же направление развития технологий MAC является наиболее перспективным для будущих систем 4G? Для обоснования ответа на этот вопрос целесообразно развить методику матричной систематизации (классификации) методов множественного доступа [24, 27], по которой в строках матрицы протоколы классифицируются по регламентам доступа, а в столбцах – по временным процесам доступа (см. рис. 4).

Рис.4

Установлено [24], что основные характеристики протоколов MAC коррелированны вдоль строк и столбцов матрицы, как это иллюстрируется на примере реализуемых пропускных способностей различных методов для непротяженных (short-delay) каналов (рис. 4,б). Под реализованной пропускной способностью понимается максимальное значение выходной нагрузки S(G) при варьировании входной нагрузки и, возможно, при заданном ограничении на время задержки D:

. (1)

Значения реализованных пропускных способностей зависят от видов протоколов и значений их основных системных параметров – относительных затрат на управление (v) – для протоколов контролируемого доступа (КД) и относительного мини-окна (w) – для протоколов свободного доступа (СД) [11, 24, 27]. Из рис. 4,б следует, что значения характеристик пропускной способности по столбцам возрастают по мере увеличения их номеров , а по строкам имеют большие значения для КД, меньшие значения для СД и средние значения – для смешанного доступа [24, 27]. Показано [24, 27], что наибольшие значения пропускной способности обеспечивают адаптивные протоколы КД с малыми затратами на управление. Максимальная пропускная способность протоколов детерминированного доступа достигается лишь асимптотически и существенно снижается из-за ограничений на задержки.

Как следует из предшествующего изложения, реализуемые значения пропускных способностей различных протоколов MAC определяются их регламентными механизмами доступа, видами временных процессов доступа и системными параметрами. Фактически, эти реализуемые значения определяются степенью информированности коллективного «разума» протокола множественного доступа MAC о текущих состояниях (траекториях) процессов доступа в распределенных в географическом пространстве абонентских очередях заявок [17]. Эта траекторная информация принципиально недоступна коллективному «разуму» до свершившегося факта ее передачи в общую среду, и поэтому принципиально неизбежны конфликтные ситуации и коллизии в общей среде из-за принципиально недостаточной информированности. По сути дела, снятие информационной неопределенности о процессах (траекториях) поступления заявок в распределенные в пространстве очереди (о моментах времени их поступления, требуемых классах обслуживания, длительностях и т.п.) и является главной, «родовой», функцией протоколов MAC. Чем больше информированность – тем выше значение реализуемой пропускной способности. По протоколу простая Aloha траекторная информация полностью отсутствует. Процедура тактирования вносит сведения о границах ненумерованных временных интервалов (slotted Aloha) и мини-интервалах (CSMA). Адресация (нумерация) и «персонализация» служебных и информационных интервалов в протоколах контролируемого доступа (КД) существенно увеличивает информированность коллективного «разума».

А каковы максимально достижимые, потенциальные, значения пропускной способности на полном множестве всевозможных реализаций MAC протоколов? Потенциальные характеристики протоколов MAC могут быть найдены через вычисление предельно допустимых, минимальных, издержек (количеств) информационного ресурса коллективной среды на полное информирование коллективного «разума» MAC о текущих (реализованных) траекториях процессов доступа. Такие потенциальные информационные характеристики можно найти через вычисление энтропии траекторий доступа, моделируемых Марковскими процессами в системах массового обслуживания (СМО) с распределенными очередями, как это устанавливается в следующих теоремах [17]:

Теорема 1. Пусть сеть множественного доступа с временным разделением (МДВР) описывается моделью СМО c распределенными очередями вида M/M/1 с точностью до дискретного приближения распределения времени обслуживания, тогда предельно достижимые относительные затраты на организацию множественного доступа (MAC) в каналах без ошибок равны

, (2)

а потенциальная пропускная способность идеального протокола управления множественным доступом MAC в этой сети равна

, (3)

где есть средняя длительность информационных интервалов для передачи ячеек/кортежей ячеек/инкапсулированных пакетов, B – битовая скорость и H(k) – энтропия распределения длительностей информационных интервалов. Для геометрического распределения

, (4)

где параметр .

Теорема 2. Пусть в условиях теоремы 1 модель СМО будет вида M/D/1, тогда предельно достижимые относительные затраты на организацию множественного доступа (MAC) в каналах без ошибок равны

, (5)

а потенциальная пропускная способность идеального протокола управления множественным доступом MAC в таком случае равна

. (6)

В [17] получены потенциальные характеристики также для каналов с ошибками. Доказанные теоремы устанавливают предельные, потенциальные, значения характеристик, но не указывают конструктивные методы их достижения. Представляется наиболее целесообразным развитие механизмов коллективного «разума» MAC, которые бы в максимальной степени снимали неопределенность информации о процессах множественного доступа с минимальными затратами на это информационных ресурсов коллективной среды. К таким MAC технологиям и принадлежит предлагаемый метод МРШ-РП маркерного широковещательного резервирования, по которому удается и существенно снизить информационную неопределенность, и одновременно минимизировать издержки управления благодаря всестороннему использованию замечательных возможностей рекуррентных М-последовательностей. Метод МРШ-РП позволяет также успешно преодолевать «временной барьер».

На рис. 5 даны систематизированные характеристики методов MAC по эффективности статического (рис. 5,а) и динамического управления качеством QoS. Наилучшими динамическими характеристиками обладают адаптивные протоколы КД [11, 13].

Рис. 5

Заключение. В современном обществе мобильные и беспроводные технологии играют роль ускорителя развития информационных (технологических) экономик и перехода к новому уровню качества жизни людей. Распространение беспроводных инфокоммуникаций особенно актуально для социально-экономического развития территорий Российского Севера, Сибири и Дальнего Востока. Мировым сообществом провозглашены впечатляющие цели мобильных систем: обеспечивать экономичную передачу в любое место, в любое время, любому пользователю любого требуемого вида, качества и количества информации. Стратегия развития мобильной связи основана на эволюционном переходе от семейства распространенных стандартов моносервисных мобильных сетей второго поколения 2G на технологиях коммутации каналов к единому стандарту IMT-2000/UMTS мультисервисных сетей третьего поколения 3G на технологиях коммутации пакетов и IP. Платой за эволюцию и сохранность инвестиций служат технологические ограничения и «рудименты» устаревших поколений, которые неизбежно приводят к сдерживанию характеристик, эффективности и экономичности сетей 3G.

Не вызывает сомнений неизбежность наступления «момента истины», когда станет очевидной необходимость радикального перехода к новым беспроводным технологиям и отказа от «рудиментарных» ограничений. По нашему мнению, таким моментом является начало исследований и разработок будущих сетей 4G. В настоящей работе предлагается такая существенно усовершенствованная технология для будущих глобальных широкополосных мобильных и спутниковых систем персональной связи 4G. Предлагаемая беспроводная технология основана на развитии высокоэффективных протоколов управления множественным доступом в сверхпротяженные среды (Long-Delay MAC), динамических методов управления качеством обслуживания (DynQoS,), параметрами трафика (DynTP) и распределением ресурсов полосы (DynBRA). Такая передовая технология позволит создавать высокоэкономичные полностью распределенные (нейроноподобные) глобальные беспроводные сети массовых пользователей со сквозной интеграцией архитектуры all-MPLS/ATM-MFMAC. Развертывание работ по созданию мобильных и спутниковых систем персональной связи 4G особенно важно для России не только по причине размеров ее территории, но и как исторический шанс для возрождения отечественного производства современного телекоммуникационного оборудования на базе признанных в мире достижений российской космической промышленности.