بخشی از مقاله
چکیده
در شبکههای بیسیم مبتنی بر رقابت کنترل نحوه دسترسی ایستگاهها به کانال مشترک توسط روشهای زمانبندی در زیرلایه دسترسی چندگانه به رسانه تعریف میشود. شبکههای مش بیسیم مبتنی بر IEEE 802.11 بوده و هر ایستگاه بیسیم با تنظیم مقدار پنجره رقابت خود، احتمال دسترسی خود به کانال را مشخص میکند علاوه بر این، انتخاب عامل دیگری به نام حد فرصت ارسال - TXOP - ، یک دوره ارسال بدون برخورد و مشاجره را برای ایستگاه ممکن میسازد. اگرحدِ فرصت ارسال به گونهای تنظیم شود که فریمهای یک ارسال انفجاری در تعداد کمتری از دورههای فرصت ارسال سرویسدهی شوند، کارایی کل شبکه و همچنین متوسط تاخیر، به میزان قابل توجهی بهبود مییابد. اما انتخاب فرصت ارسال طولانی از سوی برخی از کاربران، علاوه بر کاهش کیفیت خدمات دیگران، سبب نقض عدالت نیز میگردد. از این رو هر کاربر بایستی تاثیر انتخاب فرصت ارسال خود بر سایرین را مد نظر قرار داده و با توجه به میزان ترافیک ورودی، نرخ ارسال و همچنین با برخورد انتخاب-های قبلی خود، فرصت ارسال مناسبی را انتخاب نماید. در این راستا، از آنجا که نظریه بازیها ابزاری قوی برای مدلسازی، تحلیل و بهینهسازی محیطهای رقابتی با منابع مشترک است، در این مقاله، مسئله زمانبندی در شبکههای مش مبتنی بر IEEE 802.11 در چارچوب نظریهی بازیها مورد بررسی قرار میگیرد و بازیهایی برای تنظیم پنجره رقابت تعریف میشود. هدف این پژوهش، مدل سازی و تحلیل مسئله با استفاده از نظریه بازیها و ارائه کنترل توزیع شده بر روی زمانبندی است به گونه ای که بتوان خدمات و بهرهوری کل سیستم را بهبود بخشد.
کلمات کلیدی: شبکههای بیسیم محلی، احتمال ارسال، فرصت ارسال، پنجره رقابت، IEEE 802.11
.1 مقدمه
گسترش شبکههای محلی بیسیم و تمایل به استفاده از شبکههای بیسیم بدون زیر ساخت مانند شبکههای مش مسئله استفاده موثر از منابع مشترک شبکه را با مسائل جدیدی روبرو کرده است. نحوه دسترسی به کانال که همچنین مدت زمان استفاده از کانال، از جمله مهمترین مسائل مطرح در این شبکه است. دلیل این مطلب تنها تمایل به استفاده طولانی مدت برای مخابرات داده نیست، بلکه نحوه دسترسی ایستگاهها به کانال و مدت زمان دسترسی، نقش تعیین کنندهای در عملکرد و ظرفیت شبکههای بیسیم دارد زمانبندی میتواند در لایههای مختلف شبکه و به منظور افزایش بازدهی آن لایه مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرد.
2شبکه. بیسیم مِش - - Wireless Mesh Network
شبکهی بیسیم مِش - WMN - یک تکنولوژی بیسیم امید بخش برای چندی از کاربردهای تجاری و نوظهور، مثل شبکهسازی خانگی پهنباند، شبکههای انجمنی و همسایهای، مدیریت شبکههای هماهنگ، سیستمهای حملونقل هوشمند، هستند. شبکههای مش راهکاری قدرتمند و قابل اعتماد به منظور ایجاد و دسترسی به خدمات پهنباند بیسیم، برای فراهمکنندگان خدمات اینترنتی - ISP - و دیگر کاربران نهایی با هزینهای معقول محسوب میشوند و از اینرو بسیار مورد توجّه قرار گرفتهاند. WMNها شامل مسیریابهای مش و سرویسگیرنده - کلاینت، میزبان - های مش هستند. در این معماری، مسیریابهای مش که ایستا و ثابت هستند، ستون فقرات شبکه را تشکیل داده و سرویسگیرندهها از طریق این مسیریابها به شبکه اینترنت دسترسی دارند؛ همچنان که این سرویسگیرندها نیز به طور مستقیم به یکدیگر متصل هستند - یا اصطلاحاً تنیده یا مش شدهاند. - .
3 تحلیل تأخیر
تأخیر را توانمی به عنوان متوسطِ زمانِ بین شروعِ مرحله عقب گرد تا لحظهی رسیدن موفقیتآمیز بسته در نظر گرفت. به عبارت دیگر فاصله زمانی از لحظهای که یک بسته در سر صف MAC خود آماده ارسال میشود تا زمانی که تصدیق ارسال آن بسته برسد، به عنوان تأخیر ارسالِ دو بسته متوالی محسوب میگردد. حال اگر بستهای دور انداخته شود، زمانِ تأخیر برای چنین بستهای در محاسبه متوسط تأخیر ِ بسته، محسوب نمیشود. بنابراین با فرض اینکه E[X]، متوسط تعداد بازههای زمانی مورد نیاز برای ارسال موفق یک بسته باشد، متوسطتأخیر برای ارسالِ موفق یک بسته، از رابطه زیر محاسبه میگردد. که در رابطه دوم، Wi، اندازه پنجره رقابت در مرحله iاُم- و p، احتمال تصادم است. E[slot]هم مدّت زمان فیزیکی یک بازه زمانی است.
روش پیشنهادی برای تعیین پنجره رقابت با استفاده از نظریهی بازیها - GCW - در شبکههای محلی مبتنی بر 802.11، هر کاربر در راستای افزایشِ توان عملیاتی خود سعی میکند احتمال ارسالِ خود را با کاهشِ اندازهی پنجره رقابت خویش افزایش دهد. افزایش احتمالِ ارسال توسط یک کاربر و تکرار این عمل از سوی سایر کاربران سبب افزایش برخورد و به دنبال آن افزایش تأخیر و افزایشنرخِ ریزش بستهها میگردد. بنابراین هر کاربرِ دوراندیش و معقول با عنایت به امکان مقابلهی به مثل از سوی سایر کاربران میداند که بهمنظورِ افزایش توان عملیاتی خود، بایستی با دیگر کاربران همکاری نماید.
در روش پیشنهادی، شبکهای متشکل از N گرهی مشابه، با محدودهی ارتباطی یکسان که هر گره سیگنال سایر گرهها را دریافت میکند در نظر گرفته شده است. همچنین فرض گردیده که اندازه همه بستهها با یکدیگر برابر بوده و خطای موجود نیز فقط ناشی از برخورد است. بنابراین گرها قادر به تخمینِ تعدادِ گرهای رقیبِ خود میباشند. از این رو مسئله کنترل پنجره رقابت را میتوان به عنوان یک بازی همکار یا یک مسئلهی بهینهسازی با هدف بیشینه نمودن توان عملیاتی سراسری، کاهش تأخیر و کاهش احتمال از دست رفتن بسته ها فرمول بندی و آن را به صورت غیرمتمرکز پیاده سازی کرد. در این بازی؛ همه گرهها در محدوده دید یکدیگر قرار داشته و در نتیجه تخمین آنها از تعداد گرهها، مشابه خواهد بود. همچنین آنها در شرایط یکسانی به سر میبرند و در نتیجه؛ هدف همه آنها با یکدیگر برابر است. در نظریهی بازیها، تابع مطلوبیت توصیفگر سطحِ رضایت کاربر از نتیجه رفتار خود است.با بیشینه کردن مطلوبیّت شبکه - به عنوان مثال مجموع مطلوبیّتهای همه کاربران - رفاه اجتماعی سیستم بهینه میشود.
بنابراین در بازی پیشنهادی، توان عملیاتی به عنوان مطلوبیت در نظر گرفته شد. چرا که هر کاربر تمایل دارد توان عملیاتی خود را بیشینه نماید. به علاوه، کاربران تمایل دارند احتمال از دست دادن بسته های خود را کاهش دهند که یک راه برای انجامِ این امر، افزایش زمان انتظار قبل از ریزش بسته هاست. افزایش زمان انتظار قبل از ریزش بستهها با افزایش اندازه پنجره رقابت در هر مرحله حاصل میشود. بنابراین از یک سو کاربران سعی میکنند اندازهی پنجرهی رقابت خود را کاهش دهند تا زودتر به کانال دسترسی پیدا کنند. اما از سوی دیگر امکان دارد که گره ها به دلیل برخورد مجبور به چندین بار تکرارِ فرآیند رقابت شوند. که اگر اندازه پنجره رقابت کوچک باشد، احتمال برخورد افزایش مییابد و در نتیجه، احتمال ریزش بسته ها به دلیل برخوردهای متوالی افزایش مییابد. همچنین هر گره تمایل دارتأخیرِ ارسالِ خود را کاهش دهد، که این امر در سایه کاهش برخورد تحقّق مییابد. بنابراین تأخیر را میتوان به عنوان هزینهی هر کاربر در دسترسی به کانال منظور نمود. در نهایت، تابع پیامد یا همان تابع بهرهبرداری لایه MAC به صورت زیر تنظیم میگردد :
که در این رابطه، Si توان عملیاتی نرمال شده، E - Ddropi - متوسط زمان انتظار قبل از ریزش یک بسته و E - Di - متوسط تأخیر دسترسی به رسانه برای گره iاُم- میباشند. هم احتمال ارسال گره iاُم- است. تابع پیامد ترکیب مطلوبیت و هزینه است. از آنجا که نوعِ توان عملیاتی، تأخیر و زمان لازم برای از دست رفتن بستهها با یکدیگر متفاوت است، این توابع نرمال شدند. همچنین وزنهای هر تابع Wi - ها - را میتوان برحسب نوعِ ترافیک و هدف مطلوب؛ افزایش توان عملیاتی، کاهش تأخیر، کم کردن تعداد فریمهای دور انداخته شده، تنظیم نمود. شکل زیر، نمایش تابع پیامد را برای تعداد متفاوتی از گرهها نشان می-دهد.
4 .نتایج وشبیه سازی GCW
هب منظور بررسی صحّت روش پیشنهادی، شبیهسازی وسیعی برای سناریوهای متفاوت از لحاظ تعداد گرهها - از 5 تا 25 گره - انجام شد. پارامترهای مورد استفاده شبیه سازی در جدول 1 مندرج گردیدهاند.
