Исследование вероятностно-временных характеристик беспроводных сетей с методом доступа CSMA/CA

Цели. Целью статьи является разработка аналитических методов оценки вероятностно-временных характеристик и производительности беспроводных сетей с методом доступа CSMA/CA, позволяющих автоматизировать процессы выбора рациональных режимов работы и снизить влияние наложений в сетях, реализующих протоколы 802.11.
Методы. Использованы методы теории надежности, теории случайных процессов и теории массового обслуживания, преобразование Лапласа – Стилтьеса.
Результаты. Разработан аналитический метод оценки вероятностно-временных характеристик и производительности беспроводных сетей с методом доступа CSMA/CA с учетом ограничений на время передачи информации. Метод расширяет область применимости аналитических подходов, предложенных ранее для исследования локальных сетей Ethernet. Проведен анализ сетей, которые используют метод доступа CSMA/CA. Разработана оригинальная математическая модель, позволяющая оценить различные характеристики процессов передачи пакетов в беспроводных сетях при ограничениях на время передачи. Эти характеристики включают время ожидания, время передачи пакетов, загрузку узлов и производительность сети. Для упрощения анализа и оценки различных режимов работы беспроводных сетей с методом доступа CSMA/CA был разработан программный комплекс.
Выводы. Показана необходимость первоочередной разработки вложенных аналитических моделей, описывающих процессы передачи пакетов в беспроводных сетях при ограничениях на время передачи информации на канальном уровне. Это означает, что для более точного описания процессов передачи пакетов в таких сетях требуется создание более сложных моделей. Разработанный программный комплекс позволяет изучать различные варианты функционирования сети и проводить аналитические расчеты. Были проведены расчеты для оценки вероятностно-временных характеристик процессов передачи пакетов и производительности беспроводной сети. Исследования включали изменение количества рабочих станций и интенсивности потоков пакетов, поступающих в узлы сети, при ограничении времени передачи пакетов. Применение разработанных математических моделей может быть полезным при создании и оптимизации беспроводных сетей, таких как Wi-Fi-сети, сети связи на основе стандарта IEEE 802.11 и другие системы передачи данных с использованием метода доступа CSMA/CA. Такие модели и анализ на их основе различных режимов функционирования беспроводных сетей могут помочь в оптимизации производительности сетей, настройке параметров, а также при выборе емкости и конфигурации беспроводных сетей. 

1. Таненбаум Э.С., Уэзеролл Д. Компьютерные сети: пер. с англ. СПб.: Питер; 2018. 960 с.

2. Кузьменко Н.Г. Компьютерные сети и сетевые технологии. М.: Наука и техника; 2015. 368 с.

3. Епанишников А.М. Локальные вычислительные сети. М.: Диалог-МИФИ; 2014. 224 с.

4. Смирнова Е.В. Технологии современных сетей Ethernet. Методы коммутации и управления потоками данных. М.: БХВ-Петербург; 2012. 272 с.

5. Акимова Г.П., Соловьев А.В., Тарханов И.А. Моделирование надежности распределенных вычислительных систем. Информационные технологии и вычислительные системы (ИТиВС). 2019;3:79–86. https://doi.org/10.14357/20718632190307

6. Павский В.А., Павский К.В. Математическая модель для расчета показателей надежности масштабируемых вычислительных систем с учетом времени переключения. Известия ЮФУ. Технические науки. 2020;2(212):134–145. https://doi.org/10.18522/2311-3103-2020-2-134-145

7. Леонтьев А.С. Многоуровневые аналитические и аналитико-имитационные модели оценки вероятностно-временных характеристик многомашинных вычислительных комплексов с учетом надежности. Международный научно- исследовательский журнал. 2023;5(131). https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.131.8

8. Леонтьев А.С., Тимошкин М.С. Исследование погрешности многоуровневых аналитических и аналитико-имитационных моделей оценки вероятностно-временных характеристик многомашинных вычислительных комплексов с учетом надежности. Научный журнал «Наукосфера». 2023;3(1):143–156. https://doi.org/10.5281/zenodo.7736570

9. Альшаев И.А., Лаврухин В.А. О проектировании и оптимизации сетей Wi-Fi. Информационные технологии и теле- коммуникации. 2016;4(1):87–95.

10. Денисенко В. Беспроводные локальные сети. Часть 2. Современные технологии автоматизации (СТА). 2009;2: 96–101.

11. Хелд Г. Технологии передачи данных: пер. с англ. СПб.: Питер, BHV; 2003. 720 c.

12. Шарафуллина А.Ю., Галямов Р.Р., Зарипова Р.С. Технические принципы создания беспроводной локальной сети Wi-Fi. T-Comm: Телекоммуникация и транспорт. 2021;15(7):28–33.

13. Звонарева Г.А., Бузунов Д.С. Использование имитационного моделирования для оценки временных характеристик распределенной вычислительной системы. Открытое образование. 2022;26(5):32–39. https://doi.org/10.21686/1818-4243-2022-5-32-39

14. Бродский Ю.И. Распределенное имитационное моделирование сложных систем. М.: Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН; 2010. 156 c.

15. Zhmatov D.V. Impulse Disturbance Filtration at Digital Substations. In: Proceedings of 14th International Conference Management of Large-Scale System Development (MLSD). 2021. https://doi.org/10.1109/MLSD52249.2021.9600257

16. Леонтьев А.С. Разработка аналитических методов, моделей и методик анализа локальных вычислительных сетей. Теоретические вопросы программного обеспечения: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МИРЭА; 2001. С. 70–94.