انجمن انفورماتیک ایران انجمن انفورماتیک ایران انجمن انفورماتیک ایران
گزارش کامپیوتر شماره 234, ویژه مرداد و شهریور ماه 96 منتشر شد. شنبه  ٢٧/٠٨/١٣٩٦ ساعت ١٥:١٦
 

بهبود گذردهی در شبکه‌های بی‌سیم توری WIMAX



حسین سرابی میانجی

دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی نرم‌افزار

دانشگاه آزاد اسلامی واحد زنجان



دکتر ناصر مدیری

هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد زنجان

 

 


سیستم‌های بی‌سیم باند وسیع با سرعت بسیار زیادی در حال پیشرفت هستند. دسترسی به شبكه‌های همگانی و خصوصی از كاربردهای اصلی این سیستم‌هاست و این سیستم‌ها دارای سرعت ارسال و دریافت بسیار بالایی هستند و قابلیت استفاده از اینترنت و رسانه‌های چندگانه را در هر مكانی فراهم می‌كنند.
گروه كاری IEEE 802.16 استاندارد جدیدی با نام تجاری WIMAX را برای دسترسی به شبکه بی‌سیم باند وسیع معرفی كرده است. سرعت بالا، كم هزینه بودن، گسترش آسان، امنیت بالا، سرویس چند سطحی، پوشش گسترده‌تر و ظرفیت بالا از ویژگی‌های این استاندارد می‌باشد.
مروری بر استاندارد IEEE 802.16 و كاربرد انواع آن
امروزه استانداردها و ساختارهای گوناگونی برای دسترسی رادیویی باند وسیع وجود دارد كه در حال حاضر هر یك از آن‌ها در مناطق مختلف دنیا در حال استفاده می‌باشند. در آمریكا سیستم‌های LMDS و BWA مبنی بر استاندارد IEEE 802.16 ، در اروپا سیستم BRAN و در كانادا  و كشورهای دیگر سیستم‌های LMCS و MMDS با ساختار سلول‌های كوچك مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در استاندارد IEEE 802.16 دو باند فركانس مجزا مطرح شده است:

  • باند 10-66 GHz : در این باند به دلیل طبیعت امواج میلیمتری، انتشار به صورت دید مستقیم می‌باشد و پدیده چند مسیرگی سیگنال اندك است. پهنای باند كانال در این باند فركانس، بسیار بزرگ می‌باشد.
  • باند 2-11GHz : در این باند فركانس، سیگنال‌ها به دلیل داشتن طول موج بلندتر می‌توانند از موانع بیشتری عبور كنند و الزامی ‌به وجود دید مستقیم بین فرستنده و گیرنده وجود ندارد. در این باند، اثرات چند مسیرگی سیگنال بیشتر است.

 WIMAXدر حال حاضر یكی از رایجترین فناوری‌های بی‌سیم روز می‌باشد و برای كاربردهای گوناگون نسخه‌های مختلفی دارد كه در زیر به معرفی نسخه‌های مختلف این فناوری‌ می‌پردازیم.

  • IEEE 802.16 : نسخه‌ای اولیه می‌باشد و هدف آن توسعه سریع و ارزان سیستم‌های FBWA و تسریع در تجاری شدن این شبكه و همچنین تعریف واسطه هوایی سیستم‌های بی‌سیم باند وسیع ثابت یك نقطه به چند نقطه FBWA برای پشتیبانی از انواع سرویس‌های صوت و تصویر و داده است.
  • IEEE 802.16 a : در این نسخه باند فركانس به محدوده 2 تا 11 گیگاهرتز توسعه یافت و نیاز به دید مستقیم بین فرستنده و گیرنده برطرف شد همچنین این نسخه ساختار توری را نیز مورد پشتیبانی قرار داد.
  • IEEE 802.16 b : در این نسخه  كیفیت سرویس برای انتقال صوت و تصویر و داده‌های بیدرنگ تأمین گشت و نیز رده‌های مختلف كیفیت سرویس برای انواع ترافیك‌ها ارائه گردید.
  • IEEE 802.16 c : این نسخه برای كار در محدوده 10 تا 66 گیگاهرتز می‌باشد كه به منظور ایجاد سازگاری بین محصولات، جزئیات بیشتری را تعیین می‌نماید.
  • IEEE 802.16 d : نسخه اصلاح شده IEEE 802.16 a می‌باشد.
  • IEEE 802.16 e : این نسخه امكان ارتباط BWA برای كاربران زیاد را فراهم كرد.
  • IEEE 802.16 F : تعریف واحد مدیریت اطلاعات (MIB ) در لایه‌های PHY و MAC و روندهای مدیریتی مربوط در این نسخه انجام شده است.
  • IEEE 802.16 g : بهبود و تأمین كیفیت سرویس از اهداف این نسخه می‌باشد
  • هم اكنون زیر گروه‌هایی همچون IEEE 802.16 h/i/k در حال بررسی می‌باشند. ] 1 [

نحوه ورود به شبكه و همزمان‌سازی
استاندارد IEEE 802.16 به گونه‌ای طراحی شده است كه كلیه ارتباطات، بدون رخ دادن تصادم صورت پذیرد. لذا فرایند همزمان شدن و پیوستن گره‌های جدید به شبكه باید به گونه‌ای صورت پذیرد كه موجب تداخل با ارتباطات زمانبندی شده‌ در حال انجام نشود. برای این منظور، این استاندارد مراحل ورود یك گره جدید (گره کاندید ) و كانال‌های منطقی كه این گره در طول این فرایند می‌تواند به آن دسترسی پیدا كند را توریخص می‌كند. ابتدا گرهی كه می‌خواهد به شبكه ملحق شود باید به پیام‌های تنظیم شبكه MSH-NCFG كه توسط گره‌های فعال شبكه به طور دوره‌ای اعلان می‌شود، گوش دهد و خودش را با قاب‌های شبكه همزمان ‌كند. پس از همزمان‌سازی اولیه، گره منتخب می‌تواند با استفاده از دسترسی به كانال پایه، فرایند ورود را شروع كند. شایان ذكر است گره کاندید از میان گره‌های همسایه‌ای كه از آن پیام MSH-NCFG را دریافت می‌كند، گرهی را به عنوان گره حامی انتخاب می‌كند. گره حامی‌، گرهی است كه در همسایگی گره جدید قرار دارد و برای گره جدید بسته‌های لایه MAC كه به ایستگاه مركزی می‌روند و یا از ایستگاه مركزی می‌آیند را منتقل می‌كند.
از معیارهای انتخاب گره حامی ‌می‌توان به میزان نزدیكی به ایستگاه مركزی، میزان ذخیره توان و یا میزان مصرف توان گره حامی ‌اشاره كرد. در واقع گره حامی، ‌گرهی است كه گره کاندید از طریق آن به شبكه متصل می‌شود. گره حامی ‌بخشی از كانال داده خود را كه از پیش رزرو شده است به عنوان كانال حامی، به گره جدید تخصیص می‌دهد. گره کاندید با ارسال پیام MSH-NENT به گره حامی، آمادگی خود را برای ورود به شبكه اعلام می‌كند. گره حامی ‌پس از بررسی اعتبار گره کاندید، از طریق پیام MSH-NENT ، موافقت خود را از طریق پیام MSH-NCFG اعلان می‌كند.
در این پیام همچنین میزان پهنای باندی كه گره حامی‌ در اختیار گره کاندید به منظور ادامه فرایند ورود می‌گذارد، توریخص می‌شود. به این ترتیب گره کاندید از طریق كانال حامی ‌كه در اختیارش قرار می‌گیرد، خودش را نزد ایستگاه مركزی به رسمیت می‌رساند.
پس از این مرحله، به منظور اعلان اتمام استفاده از كانال حامی، گره جدید آخرین پیام MSH-NENT خود را در كانال پایه ارسال می‌كند و در ادامه، مانند دیگر گره‌های شبكه با استفاده از كانال پخش فراگیر، پیام‌های زمانبندی و تنظیم شبكه خود را ارسال می‌كند. به این ترتیب گره کاندید سرانجام می‌تواند برای ارسال و دریافت داده از كانال داده استفاده كند.
در استاندارد IEEE 802.16 مبتنی بر  شبكه‌های بی‌سیم توری، همزمان سازی از طریق پیام‌های MSH-NCFG صورت می‌پذیرد. این پیام‌ها به صورت دوره‌ای توسط هر گره در شبكه پخش می‌شود. هر گره در هر پیام، اطلاعاتی از گره‌های همسایه خود را اعلان می‌كند. از جمله این اطلاعات می‌توان به تأخیر انتشار تخمین هر گره تا گره‌های همسایه‌اش اشاره كرد. همچنین در هر یك از این پیام‌ها، فاصله گره فرستنده تا ایستگاه مركزی برحسب گام توریخص شده است. با استفاده از این اطلاعات، گره‌های شبكه می‌توانند خود را با ایستگاه مركزی همزمان سازند. بدین ترتیب هر گره با استفاده از پیام تنظیم شبكه، با گره همسایه‌ای كه به ایستگاه مركزی نزدیكتر است، همزمان می‌شود.
فاكتورهای موثر در افت گذردهی در شبكه‌های توری WIMAX

  • نوفه موجود در كانال‌های بی‌سیم
  • مسائل مربوط به رقابت برای دسترسی به كانال در زیر لایه MAC
  • تداخل كانال‌ها
  • محدود بودن ظرفیت میانگیرها

عامل اولی كه در كلیه شبكه‌های بی‌سیم باعث كاهش گذردهی می‌شود، نوفه می‌باشد. در این مقاله فرض شده است كلیه داده‌های ارسالی بدون تغییر و اضافه شدن نوفه در گره‌های مقصد دریافت می‌شود.
عامل دومی‌ كه منجر به كاهش گذردهی می‌شود، مسئله رقابت برای دسترسی به كانال می‌باشد. این عامل در زیر لایه MAC شبكه مطرح می‌شود و مربوط به شبكه‌هایی می‌شود كه گره‌های شبكه به صورت توزیعی و رقابتی به كانال دسترسی پیدا می‌كنند. در واقع این عامل در شبكه‌های Wi-Fi و آن دسته از شبكه‌های WIMAX كه از پروتكل توزیعی استفاده می‌كنند، به چشم می‌خورد. در شبكه‌هایی كه گره‌ها با به كارگیری الگوریتم‌های زمانبندی متمركز به كانال‌های شبكه دسترسی پیدا می‌كنند مسئله رقابت گره‌ها مسئله‌ای حل شده می‌باشد.
عامل سوم تداخل كانال‌ها یا پیوندها می‌باشد. این عامل نقش به سزایی در كاهش گذردهی شبكه‌های توزیعی و رقابتی می‌باشد. برای مثال مسائلی چون پایانه پنهان و پایانه نمایان در شبكه‌های Wi-Fi توری عامل مهمی ‌در از بین رفتن بسته‌ها محسوب می‌شوند. در شبكه‌های WIMAX توری كه به صورت متمركز زمانبندی می‌شوند با توجه به این كه گره‌ها از موقعیت گره‌های همسایه خود اطلاع دارند و همچنین در حین زمانبندی پیوندهای شبكه، مسائل تداخل پیوندها در نظر گرفته می‌شود لذا از این فاكتور در این شبكه‌ها چشم پوشی می‌شود.
عامل چهارم محدود بودن ظرفیت میانگیرها می‌باشد. در این مقاله سعی خواهد شد با ارائه روشی تأثیر این عامل را كاهش داد.
بررسی كارهای مرتبط
برای بهبود گذردهی شبكه‌های بی‌سیم WIMAX توری كارهای زیادی انجام شده است. نویسندگان در ‌ ] 2 [ به منظور بهبود گذردهی شبكه‌های WIMAX توری از ارسال‌های همزمان بر روی پیوند دو جهته استفاده كرده‌اند. همچنین در این مقاله موقعیتی كه گره‌ها و ایستگاه مركزی باید نسبت به هم داشته باشند، بررسی شده است. در ] 3 [ الگوریتمی ‌به منظور چگونگی تشكیل درخت زمانبندی در شبكه‌های WIMAX ارائه می‌شود. در این الگوریتم پیوندهای شبكه به گونه‌ای نسبت به هم قرار می‌گیرند كه كمترین تداخل میان پیوندها در نظر گرفته شود. نویسندگان در ] 4 [ الگوریتم تركیبی از مسائل زمانبندی و مسیریابی شبكه پیشنهاد می‌دهند. این الگوریتم به منظور بهبود گذردهی، مسیرهایی را كه بیشترین نرخ داده را دارند و بیشترین پوشش در شبكه ایجاد می‌كنند را انتخاب می‌كند. در ] 5 [ نویسندگان با به‌كارگیری مدل‌های صف، میزان گذردهی و تأخیر را در شبكه‌های  WIMAX توری ارزیابی كرده‌اند.
صف وزن دهی شده منصفانه (WFQ )
روش WFQ ، حالت تعمیم داده شده روش صف منصفانه (FQ ) می‌باشد. در هر دو روش N جریان به یك جریان داده ختم می‌شود، به این ترتیب كه هر یك از جریان‌های داده ورودی به صورت جداگانه تشكیل صف FIFO می‌دهند. در FQ   اگر نرخ داده پیوند خروجی R باشد، هر یك از جریان‌های داده ورودی با نرخ R/N به طور همزمان سرویس داده می‌شود. به این ترتیب اگر حجم داده پیوندی زیاد باشد، تأثیری بر روی دیگر جریان‌ها نخواهد گذاشت. برخلاف FQ ، در WFQ بر هر یك از N جریان ورودی، وزنهای W1,W2 … WN تخصیص داده می‌شود به این ترتیب به هر یك از جریان‌های داده ورودی، متناسب با وزنی كه به آن تخصیص داده می‌شود سرویس‌دهی می‌شود.

در این روش اولویت سرویس‌دهی با جریانی است كه كمترین وزن را دارد.
گذردهی شبكه‌های WIMAX توری با توجه به محدود بودن ظرفیت میانگیر
در شبكه‌های بی‌سیم WIMAX توری، بسته‌های اطلاعاتی پس از طی چند گام به مقصد مورد نظر خود می‌رسند. در این شبكه‌ها، گره‌های میانی علاوه بر ارسال داده‌های خود، داده گره‌های دیگر را نیز منتقل می‌كنند.
به عبارت دیگر، گره‌های میانی در مسیر فراسو، علاوه بر داده‌های خود داده‌هایی كه از گره زیرین می‌آیند، و در مسیر فروسو، علاوه بر داده‌های خود، داده‌های گره‌هایی كه از ایستگاه مركزی آیند را منتقل می‌كنند. همچنین با توجه به این كه هر گره یك مرتبه در قاب ، حق ارسال دارد و این كه گره دریافت كننده داده تا پایان دریافت داده حق ارسال نخواهد داشت، لذا كلیه داده‌های دریافتی، ابتدا در میانگیر گره‌ها ذخیره می‌شوند و سپس در فرصت ارسالی  بعدی، ارسال می‌شود.
مسئله‌ای كه در این جا مطرح می‌شود این است كه داده‌های دریافتی در میانگیر گره‌‌ میانی به چه ترتیبی ذخیره می‌شوند و چه داده‌هایی هنگام پر شدن ظرفیت میانگیرها حذف می‌گردند.
از جمله روش‌های مقابله با محدود بودن ظرفیت میانگیرها، روش حذف تصادفی و روش صف وزن دهی شده منصفانه (WFQ ) می‌باشد. در این روش به جریان پیوندهای ورودی وزن تخصیص داده می‌شود و متناسب با وزن هر جریان به آن سرویس‌دهی می‌شود. از این روش برای حذف داده جریان‌های ورودی به این صورت می‌توان بهره گرفت كه محدودیتی متناسب با ظرفیت میانگیر در طول صف جریان‌های ورودی اعمال كرد.
با توجه به این كه گره‌های میانی، داده‌های گره‌های زیرین را نیز در مسیر فراسو منتقل می‌كنند ضعف روش مبتنی بر WFQ این است كه ممكن است داده‌های گره‌های زیرین در میانگیر گره‌های میانی حذف شود، كه این عمل منجر به كاهش گذردهی هر یك از گره‌های زیرین می‌شود. برای مثال داده‌هایی كه از پیوند AB در شكل 1 عبور می‌كند را در نظر بگیرید. این پیوند علاوه بر داده‌های گره B ، شامل داده‌های گره‌های D و F نیز می‌باشد و عمل حذف داده‌های ارسالی از پیوند AB ، ممكن است منجر به حذف داده‌های گره‌های D و F شود.

شکل1 : توپولوژی شبکه

 

 

طرح پیشنهادی
طرح پیشنهادی، حالت اصلاح شده روش مبتنی بر WFQ   می‌باشد. به این صورت كه در گره‌های میانی شبكه، در صورت پر شدن میانگیر، نخست نشانی فرستنده بسته بررسی می‌شود و در صورتی كه فرستنده اصلی آن، گره همسایه باشد، بسته حذف می‌شود. به این ترتیب داده‌های گره‌های زیرین شبكه در گام‌های میانی مسیر حذف نخواهند شد.
فرایند بررسی نشانی‌های فرستنده در گره‌های شبكه ممكن است از نظر پردازش زمانبر باشد. با برچسب زدن بسته‌های ارسالی، این عمل می‌تواند سریعتر صورت پذیرد. این برچسب‌ها در بسته‌های ارسالی، حاوی اطلاعاتی نظیر فرستنده اصلی هستند و عمل پردازش را سرعت می‌بخشند.

شبیه سازی
در این بخش عملكرد سه روش حذف تصادفی، روش مبتنی بر WFQ و روش پیشنهادی را از لحاظ گذردهی در هر یك از گره‌های شبكه ارزیابی می‌كنیم.


تعداد شیارهای زمانی دریافت شده در مقصد گره

=

پارامتر گذردهی در هر گره

 تعداد شیارهای زمانی ارسالی هر گره

مجموع پارامتر گذردهی گره‌ها

=

گذردهی كل شبكه

تعداد كل گره‌ها

توپولوژی شبكه‌ای كه برای ارزیابی عملكرد گذردهی در نظر گرفته شده است، مطابق شكل 1 می‌باشد. گذردهی گره‌های شبكه را در مسیر فراسو ارزیابی خواهیم كرد. ظرفیت میانگیر گره‌ها متناسب با تعداد گره‌های زیرین آن‌ها و ضریبی از 10 شیار زمانی در نظر گرفته شده است. برای مثال ظرفیت میانگیرهای گره A ، 50 و گره D ،10 شیار زمانی و ظرفیت میانگیر ایستگاه مركزی 140 شیار زمانی می‌باشد. طول زیر قاب زمانبندی متمركز بیش از 140 شیار زمانی در نظر گرفته شده تا كلیه درخواستها بدون هیچ گونه تعدیلی به گره‌ها تخصیص داده شوند. فرض شده است كه كلیه ارسال‌ها به طور توریابه با نرخ داده ثابت (CBR ) صورت گیرد.
نتایج شبیه سازی در شكل 2 نمایش داده شده است. كلیه مقادیر به‌دست آمده در نمودار، حاصل میانگین گیری مقادیر در 200 مرتبه اجرای برنامه می‌باشد. نمودار گذردهی به‌دست آمده از روش پیشنهادی، عملكرد بهتری نسبت به دو روش دیگر دارد. این بهبود گذردهی به این دلیل است كه كلیه شیارهای زمانی كه به خاطر پر شدن ظرفیت میانگیرها از بین رفته‌اند، متناسب با درخواست منابعی كه داشته‌اند و با توجه به این كه از گره همسایه بوده‌اند، صورت پذیرفته است.

شکل 2: نتایج شبیه‌سازی

منابع:
[1] Draft Standard for Local and metropolitan area network part 16:Air Interface for Broadband Wireless Access Systems (Revision of IEEE std 802.16-2004 and consolidates material from IEEE Std 802.16e-2005, IEEE Std 802.16-2004/Corl2005, IEEE Std 802.16f-2005 and IEEE Std802.16g-2007)
[2]Q. Xiong, W. Jia, C. Wu, and G. Ye, “Throughput enhancement with bidirectional concurrent transmission in ieee 802.16 mesh networks” ,Communications and Networking in China,2007. CHINACOM ’07. Second International Conference on  22-24 Aug. 2007, pp.947-95
[3] J.Tao, F.Liu and Z.Zeng,” Throughput Enhancement in WiMax Mesh. Networks Using Concurrent Transmission”, Wireless Communications, Networking and Mobile Computing,2005. Proceeding, 2005 International Conference on Volume 2, 23-26 Sept,2005 pp,871-874
[4] S.Nahel and N.Malouch ,”joint routing and scheduling for maximizing fair throughput in WIMAX mesh network”, Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2008. PIMRC 2008. IEEE 19 th International Symposium on 15-18 Sept. 2008, pp, 1-5
[5] S.Bastani, S.Yosefi, M.Mazoochi and A.Ghiamatyon, “ Delay and Throughput Ttade-Off in WIMAX Mesh Network”, Communication Software and Networks,2009. ICCSN’09. International Conference on 27-28 FEB. 2009,pp.283-286

Local Multipoint Distribution Service

Broadband Wireless Access

Broadband Radio Access Network

Local Multipoint Communication Systems

Multipoint Multichannel Distribution Service

Fixed Point Broadband Wireless Access

mesh

Quality of Service

Management Information Base

Candidate Node

frame

Sponsoring Node

noise

link

Hidden Terminal

Exposed Terminal

Weighted Fair Queuing

Fair Queuing

First In First Out

frame

Constant Bit Rate