بخشی از مقاله
چکیده
استاندارد IEEE802.16 از دو حالت کاری نقطه به چند نقطه و مش پشتیبانی میکند. به کمک حالت مش استاندارد IEEE802.16 ، میتوان اتصالهای بیسیم قابل اطمینانی با سطح پوشش بسیار بالایی فراهم آورد. این در حالی است که کارایی شبکههای IEEE802.16 از نظر گذردهی سیستم، بستگی به توانایی لایههای مدیریت در زمانبندی ارسالها دارد. در این مقاله الگوریتم جدیدی به منظور بهبود زمانبندی توزیع شده هماهنگ در حالت مش و تخصیص بهینه پنجرههای زمانی به گرههای شبکه با در نظرگرفتن قابلیت استفاده مجدد از فضای فرکانسی، ارائه شده است.
در الگوریتم پیشنهادی بطور همزمان، استفاده مجدد از فضای فرکانسی برای استفاده کارا از منابع رادیویی، مدل تداخل، تاثیر جایگاه گره در بهبود کارائی زمانبندی و دستهبندی ترافیکهای موجود در شبکه برای تامین کیفیت سرویس مورد توجه قرار گرفته شده است. شبیه سازیهای انجام شده در راستای مقایسه الگوریتم پیشنهادی با الگوریتم تعریف شده در استاندارد نشان میدهد که قیود تاخیر ارسال برای ترافیکها بخوبی برآورده شده و میزان گذردهی کلی شبکه نیز در الگوریتم پیشنهادی بهبود یافته است.
مقدمه
زیرلایهی MAC در IEEE802.16 از دو حالت حمایت مینماید: حالت یک نقطه به چند نقطه 1 - PMP - و حالت چند نقطه به چند نقطه .2 - Mesh - در حالت PMP - ساختار پایه - 802.16، شبکه طرح سلولمانند دارد و از یک ایستگاه مبنا 3 - BS - و تعدادی ایستگاه مشترک 4 - SS - تشکیل شده است و کانال نیز به 5ULو 6DL تقسیم میشود. در این نوع شبکهها لازم است تا تمام ایستگاههای مشترک در برد انتقال و دید مستقیم ایستگاه مبنا باشند.
ساختار مش روش جدیدی در ارائه دسترسی به پهنای باند بالا برای کاربران فراهم میسازد. در این ساختار، هر گره میتواند همانند یک رله برای انتقال بستهها به همسایگانش عمل نماید. در این روش نیازی به ارتباط مستقیم بین ایستگاه مبنا و ایستگاههای مشترک نیست و گرهها می-توانند بدون ارتباط مستقیم با BS با هم ارتباط برقرار نمایند. با وجود قابلیت انعطاف و توسعهپذیری بهتر این حالت، زمانبندی و کنترل دسترسی به کانال بدلیل آنکه هر گره اطلاعات زمانبندی انتقال خود را بدون اطلاعات سراسری محاسبه مینماید، پیچیدهتر میباشد. استاندارد IEEE802.16 زمانبندی را به دو روش متمرکز و توزیعشده تعریف میکند.
در مکانیزم متمرکز ، BS مسئول زمانبندی ارسالها در کل شبکه است. در این نوع زمانبندی تمامی درخواستها به BS ارسال میشوند و BS به تنهایی مسئول تعیین چگونگی تخصیص منابع و پنجرههای زمانی مربوط به SSهای شبکه میباشد. در مکانیزم توزیع شده، ارسالها به شکل کاملا توزیعشده و بدون نیاز به تعامل با BS ، زمانبندی میشوند. این نوع زمانبندی میتواند به صورت هماهنگ یا ناهماهنگ باشد. زمانبندی متمرکز و توزیع شده، سطوح متفاوتی از کیفیت سرویس را فراهم میآورند. لینکهایی که با مکانیزم متمرکز زمانبندی میشوند، پهنای باند برایشان به وسیله BS تضمین شده است.
تضمین گام به گام پهنای باند در درخت مسیریابی برای مکانیزم متمرکز، تضمین کیفیت سرویس انتها به انتها برای جریانهای ترافیکی را فراهم میآورد. در مقابل لینکهایی که با مکانیزم توزیعشده زمانبندی میشوند، رفتار گذرایی دارند و پهنای باند تخصیص داده شده به آنها به گرههای همسایه بستگی دارد . - Nsoh and Benkoczi, 2013 - لذا در ساختار توزیعشده عدم قطعیت در پهنای باند لینک، کیفیت سرویسBE7 را برای اتصالهای انتها به انتها فراهم میآورد.
در زمینهی نحوهی زمانبندی ارسالها در حالت مش مقالاتی ارائه شده است. در - Kas et al., 2010 - ، پروتکل ارسال بدون تداخل پیغامهای کنترلی در زمانبندی توزیعشده حالت مش مدل شده و مورد ارزیابی قرار گرفته است. بر این اساس مدلی تصادفی برای زمانبندی توزیعشده بر پایه عملکرد الگوریتمEBTT8، - یک فرایند توزیع شده و شبه تصادفی برای زمانبندی ارسال منظم پیغامهای پخش فراگیر در شبکه های مش چندگامی- طراحی شده است که در آن زمان بین دو ارسال موفق و تاخیر در برقراری ارتباط به عنوان معیار ارزیابی در نظر گرفته شدهاند و فرمولسازی برای محاسبه این معیارها انجام شده است.
در - - Vijayalayan et. al.,2013، - al.,2012 - Li et و - Agustiningsih et. al., 2013 - نویسندگان سعی در افزایش کارایی شبکه با در نظر گرفتن میزان رقابت در شبکه، دارند. به عبارت دیگر زمان Holdoff مربوط به هر گره بصورت پویا و بر اساس حالت گرهها در نظر گرفته شده است. البته تعیین حالت گره در هر لحظه کار سادهای نیست و نیازمند بکارگیری پروتکلهای مسیریابی برای تعیین فعال یا غیر-فعالبودن گرهها می باشد.
دوم آنکه اگر ترافیک در شبکه زیاد باشد بیشتر گرهها حالت فعال داشته و باعث ایجاد ازدحام در شبکه خواهند شد. در - Zhi-Xiong et al., 2010 - نیز این ساختار مورد مطالعه قرار گرفته و علاوه بر تشریح جزئیات لازم برای عملکرد صحیح و بدون تصادم آن، بر وجود تاخیری به میزان حداقل 16 پنجره زمانی در ارسال بستهها تاکید شده است. همچنین در این مقاله الگوریتمی برای کاهش زمان مورد نیاز برای ارسال پیغام Confirm ارائه شده، بطوریکه پیغام Confirm بلافاصله بعد از دریافت پیغام Grant ارسال میگردد.
در روش پیشنهاد شده هیچ تضمینی برای آنکه پیغام بعدی ارسال شده توسط گره مقصد همان پیغام Grant موردنظر باشد، ارائه نشده است. همچنین محاسبات انجام شده برای تعیین زمان ارسال پیغام Grant و در نتیجه مقدار مطلوب exponent طولانی و پیچیده میباشد. در - Khainu and Keeratiwintakorn, 2011 - الگوریتمی برای تخصیص تطبیقی مقادیر exponent بر اساس حالت گرهها طراحی شده است. این الگوریتم بر اساس اینکه گره چه پیغامی ارسال میکند یک مقدار برای exponent در نظر میگیرد.
تامین کیفیت سرویس و ارسال بستهها بر اساس اولویتبندی در شبکه دچار ازدحام، در - Msadaa, 2010 - مورد بررسی قرار گرفته است. ساختار پیادهسازیشده برای تامین کیفیت سرویس در حالت مش بسیار شبیه به ایده بکار گرفتهشده در حالت PMP میباشد ، بطوریکه از سه میدان تعریف شده در حالت PMP یعنی قابلیت اطمینان ، اولویت کلاسی و درصد خرابی بسته برای تامین کیفیت سرویس استفاده شده است.
برای دستیابی به کیفیت سرویس در حالت مش، الگوریتمی برای تخصیص پنجرههای زمانی بر اساس میزان عرض باند درخواست شده و میزان پنجرههای زمانی در دسترس طراحی شده است. در طرح ارائه شده در این مقاله، پیشنهادی برای بهبود سیگنالینگ پیغامهای کنترلی که نقش اساسی در نحوهی عملکرد شبکه و اولویتبندی ارسال داده توسط هر گره دارد، مطرح نشده است.
در این مقاله سعی بر این است تا زمانبندی که قادر به تامین کیفیت سرویس برای انواع مختلف ترافیک در مکانیزم توزیع شده هماهنگ باشد، طراحی گردد. تعیین حداقل پنجرههای زمانی در زیرفریم داده که برای زمانبندی توزیع شده استفاده میشوند ، یکی از موضوعات با اهمیت در شبکههای مش است. با تعیین حدقل این پنجرهها ، پهنای باند کافی برای سرویسهایی که نیاز به تضمین پهنای باند دارند اختصاص داده میشود.
در ادامهی مقاله در بخش دوم به تشریح ساختار زمانبندی توزیعشدهی هماهنگ تعریف شده در حالت مش استاندارد IEEE802.16 پرداخته میشود. در بخش سوم الگوریتم پیشنهادی برای اصلاح و بهبود ساختار زمانبندی توزیعشدهی هماهنگ معرفی میگردد. در بخش چهارم محیط شبیهسازی استفاده شده برای بررسی عملکرد الگوریتم پیشنهادی بیان شده و در ادامه نتایج حاصل از بکارگیری الگوریتم پیشنهادی در مقایسه با ساختار تعریفشده در استاندارد و نحوهی عملکرد الگوریتم پیشنهادی در تامین ملزومات کیفیت سرویس مورد بررسی قرار می گیرد. در انتها نیز بخش جمعبندی قرار دارد.
-2 زمانبندی توزیع شدهی هماهنگ در حالت مش
بر اساس تعریف استاندارد - IEEE Standard, 2004 - ، یک فریم در حالت مش مطابق شکل 1 ، از زیرفریم کنترلی و زیر فریم داده تشکیل شده است. زیر فریم کنترلی برای ارسال بستههای کنترلی و زیرفریم داده برای ارسال بستههای داده ، بکار برده می شود.
