CC BY
110
INFORMATION SOCIETY TECHNOLOGIES
His
В E S E A R >: II
Алгоритмы назначения каналов в mesh-сетях беспроводного широкополосного доступа
В настоящее время наиболее распространенной технологией беспроводного доступа, которая повсеместно применяется для передачи большого количества трафика различного вида, является стандарт беспроводных локальных сетей IEEE 802.1 1. Одним из самых перспективньх направлений развития технологии Wi-Fi стали твэЬсети, описываемые в стандарте IEEE 802.11s. В статье рассмотрена возможность применения данного стандарта для сил специального назначения и работа некоторых известных алгоритмов назначения каналов в сетях IEEE 802.11s.
Ключевые слова: информация, каналы, беспроводные сети, стандарт, алгоритм.
Легков К.Е, Голубинцев А.В.,
Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики
Algorithms of assignment of channels on broadband wireless access mesh-networks
K.E. Legkov, A.V. Golubintsev,
North Caucasian branch of the Moscow technical university of communication and informatics
Abstract
Now the most widespread technology of wireless access which is everywhere applied to transmission of a large number of traffic of different look, the standard of wireless local area networks of IEEE 802.11 is. The mesh-networks described in the IEEE 802.11s standard became one of the most perspective directions of development of the Wi-fi technology. In article possibility of application of this standard for forces of a special purpose and operation of some known algorithms of assignment of channels on the IEEE 802.1 1s networks is considered.
Keywords: information, channels, wireless networks, standard, algorithm.
Перспективный класс широкополосных беспроводных сетей передачи мультимедийной информации — mesh-сети, которые являются одним из направлений развития технологии Wi-Fi [1] и описываются в стандарте IEEE 802.11s [2]. Одним из главных принципов построения mesh-сети является принцип самоорганизации архитектуры, обеспечивающий такие возможности, как реализацию топологии сети "каждый с каждым"; устойчивость сети при отказе отдельных компонентов; масштабируемость сети; динамическую маршрутизацию трафика; контроль состояния сети и т.д. Mesh-технология становится особенно необходимой при отсутствии проводной инфраструктуры для соединения станций.
Эти положительные качества неуклонно подводят к вопросу о применении таких технологий для обеспечения управления в силовых структурах при выполнении специальных задач. Благодаря низким ценам на оборудование Wi-Fi, а также легкости в установке, возможно, его массовое применение и в организациях специального назначения. Границу автоматизации, как общепринятого способа повышения эффективности функционирования любой системы, можно довести до отдельного сотрудника. Такой процесс давно происходит в армиях и организациях специального назначения ведущих государств мира, в частности в США. В комплект оснащения для каждого сотрудника могут входить вычислительный комплекс, набор датчиков, видео- и инфракрасные камеры, шлем со встроенным монитором, отображающим цифровую карту и местонахождение своих и чужих подразделений, и устройство беспроводной связи. Технология передачи мультимедийных данных в условиях единого информационного пространства мест проведения операций должна функционировать по особым правилам.
Останавливаясь на mesh-сетях IEEE 802.11s [2], необходимо отметить, что данная
спецификация рекомендует применять станции (узлы), содержащие несколько радиоинтерфейсов. Это позволяет одновременно использовать несколько частотных каналов для передачи информации. Общаясь с каждым из своих соседей, узел использует конкретный интерфейс (интерфейсы). Каждый интерфейс использует определенный канал. Механизмы назначения каналов (и другие механизмы функционирования) влияют на производительность сети, которая к тому же зависит от особенностей трафика. В системах управления специального назначения особенности трафика проявляются в его направлении, приоритетах, пульсации и др. С достаточной степенью достоверности можно предположить, что преобладающим трафиком будет вертикальный.
Останавливаясь на mesh-сетях IEEE 802.11s [3], необходимо отметить, что данная спецификация рекомендует применять станции (узлы), содержащие несколько радиоинтерфейсов. Это позволяет одновременно использовать несколько частотных каналов для передачи информации. Общаясь с каждым из своих соседей, узел использует конкретный интерфейс (интерфейсы). Каждый интерфейс использует определенный канал. Механизмы назначения каналов (и другие механизмы функционирования) влияют на производительность сети, которая к тому же зависит от особенностей трафика. В системах управления специального назначения особенности трафика проявляются в его направлении, приоритетах, пульсации и др. С достаточной степенью достоверности можно предположить, что преобладающим трафиком будет вертикальный.
Для такого случая целесообразно использовать один из наиболее известных алгоритмов назначения каналов в сетях IEEE 802.11s — алгоритм Hyacinth с централизованным способом назначения каналов [3, 4]. Рассмотрим типичную mesh-сеть, в которой каждый из узлов мо-
High technologies in Earth space research № 1-2009
His
II К К Б А И i: II
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
жет одновременно работать как точка доступа, так и в качестве тезЬ-станции [3]. Некоторые устройства могут быть еще и шлюзами во внешнюю сеть. Каждое из тезЬ-устройств содержит в себе несколько радиоинтерфейсов, каждый из которых настроен на определенный канал на относительно долгое время (минуты, часы, дни). Задача назначения предполагает определить, во-первых, с помощью какого интерфейса узел общается с каждым из своих соседей, а во-вторых, какой канал использует каждый из интерфейсов.
Предполагается, что каждый узел имеет соединение со всеми станциями, находящимися в его области устойчивого приема. Стоит заметить, что алгоритм маршрутизации зависит от пропускной способности каждого соединения, которые, в свою очередь, зависят от способа назначения каналов, а способ назначения каналов зависит от ожидаемой нагрузки на соединение, которая зависит от маршрутизации. Таким образом, получается круговая зависимость. Для ее разрешения было решено начать с оценки ожидаемой нагрузки без учета пропускной способности (см. рис.1), а затем итеративно повторять процесс назначения каналов и маршрутизации до момента, когда пропускные способности каждой из соединений будут мак-
Трзффик
Начальная оценка загрузки
Загрузка
Назначение каналов
Каналы 1 г
Определение пропускной способности соединений
Пропускные способности 1
Маршрутизация
Ожидаемая нагрузка
-- Нет
Для всех соединений ►опусжиая спос. >-о>-/л.н_чруз<;1
Да
Ка нал ы+ма р ш р утиза ция
Рис. 1. Алгоритм C-Hyacinth
симально близки к предполагаемой нагрузке. Вначале на вход алгоритма назначения каналов поступает оценка нагрузки на соединения. Выходом является пропускная способность соединений. Алгоритм маршрутизации использует их для вычисления путей, которые используются для вычисления ожидаемой нагрузки.
Если в конце итерации оказалось, что ожидаемая нагрузка больше пропускной способности, то процесс повторяется и заканчивается, если дальнейшего улучшения не происходит. Алгоритм предлагает два способа начальной оценки ожидаемой нагрузки на соединения.
Во-первых, можно предположить, что все станции в области интерференции равномерно разделяют пропускную способность канала. Пропускная способность соединения 1 вычисляется, учитывая только число доступных каналов, пропускную способность отдельного канала и число соединений внутри области интерференции рассматриваемого соединения. Далее пропускные способности поступают на вход алгоритма маршрутизации, после чего на выходе будет ожидаемая нагрузка на соединения. Более точная оценка ожидаемой нагрузки на соединения вычисляется через такие параметры, как количество путей между узлами, количество путей между этими же узлами, проходящих через соединение I и ожидаемый трафик между узлами.
Соединения рассматриваются в порядке убывания ожидаемой на них нагрузки. При рассмотрении соединения канал назначается следующим образом (в предположении, что у каждого узла я интерфейсов):
Если число использованных каналов обоих узлов соединения меньше я, то соединению назначается неиспользуемый канал с наименьшей степенью интерференции.
Если узел 1 использует я каналов, а узел 2 меньше я каналов, то выбирается один из уже используемых каналов узла 1 с наименьшей степенью интерференции.
Пусть оба узла уже используют я каналов, т.е. все их интерфейсы задействованы. Если узлы используют общие каналы, то из них выбирается канал с минимальной степенью интерференции. Если общих каналов нет, то выбирается по одному каналу от каждого из узлов, и они заменяются на общий канал так, чтобы степень интерференции была минимальна.
Под степенью интерференции понимается сумма ожидаемых нагрузок на соединения внутри области интерференции. Для вычисления
пропускной способности соединения используется следующая формула:
.. и ..' : ,\S ШЛНЗШ JM i ---'Г:■
Пр................— _ ~...................... — кпроп.снйсооиостьтшш
Уожидле ноя ниугжа
t1¥>)UHiMtf ¡71 (ЙШ №Hh7>$qVI|llLb
Алгоритм маршрутизации может быть использован любой. По сравнению с однока-нальным решением, даже с использованием всего двух интерфейсов пропускная способность сети возрастает в 6-8 раз.
Алгоритм СоМТаС, представленный в 2008 г., позволяет использовать сразу несколько путей для передачи данньх от одной станции до другой. Сеть представляется в виде графа G{V,E), где V — множество узлов (mesh-стан-ций), а Е — множество возможных соединений между этими узлами. Логически на каждом из узлов выделяется так называемый default-интерфейс (интерфейс по умолчанию). В дальнейшем, все интерфейсы, отличные от интерфейсов по умолчанию, будем назвать non-default-интерфейсами. На первом этапе вся сеть разбивается на кластеры, затем происходит назначение каналов.
Для разбиения на кластеры используется следующая процедура. На вход алгоритма поступает граф G{ V,E) (причем каждый из узлов знает расстояние до шлюза), а также множество всех шлюзов. Изначально каждый из шлюзов назначается лидером своего кластера, а все узлы, подсоединенные к данному лидеру, автоматически становятся частью кластера. Из-за ограниченного числа шлюзов созданные кластеры могут быть слишком большими, поэтому процедура построения кластеров повторяется до тех пор, пока не будут получены кластеры нужных размеров. Для построения нового кластера узел, наиболее удаленный от лидера кластера, выбирается в качестве нового лидера кластера. Кластер строится вокруг вновь выбранного лидера из узлов, для которых расстояние до нового лидера меньше чем до текущего лидера.
Чтобы сохранить связность сети, внутри каждого кластера default-интерфейсу всех узлов, составляющих кластер, назначается один из каналов (default-канал). Для межкластерного взаимодействия пограничные узлы выделяют еще один интерфейс (им назначается default-канал соседнего кластера с наименьшим идентификатором).
Преимуществом такого разделения является минимизация числа узлов, которым необхо-
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 1-2009
INFORMATION SOCIETY TECHNOLOGIES
Hi S
В E S E A R >: Il
димо делать рассылку широковещательных пакетов сразу с нескольких интерфейсов.
Далее алгоритм пытается построить множественные пути между узлами с задействованием non-defаult-интерфейсов. Для этого из изначального графа выделяется подграф такой, что для любьх двух вершин оставлены только те пути между ними, "цена" которых не превосходит больше чем в t раз минимальной "цены" между этими узлами.
После того, как выбраны соседи для каждого из узлов, необходимо каждому соединению назначить интерфейсы на обеих станциях. Из-за того, что количество интерфейсов ограниченно, при переключении какого-либо интерфейса на другой канал может потребоваться изменить каналы на цепочке станций, причем эта цепочка может достаточно большой. Для предотвращения таких ситуаций необходимо ввести следующие ограничения:
1. Non-default-интерфейс, связывающий узлы из разных кластеров, не должен быть использован для связи с узлами из того же самого кластера.
2. Non-default-интерфейс, служащий для связи с более близкими к лидеру кластера узлами, не должен быть использован для связи с узлами, находящимися дальше от лидера нежели, чем рассматриваемый узел.
Далее каждому из интерфейсов необходимо назначить канал. Процедуре назначения канала предшествует процесс установления степени интерференции с целью установления "цены" использования каждого из каналов и возможности выбора "наилучшего" канала.
Предполагается, что лидер кластера обладает полной информацией об узлах своего кластера и их соседях.
Вначале назначаются каналы для default-интерфейсов каждого из кластеров. Один из интерфейсов, не являющийся default-интерфей-сом, каждого из узлов сконфигурирован таким
образом, что он периодически (каждые TE единиц времени) слушает среду определенное время на каждом из каналов. Принятые таким образом пакеты служат для определения нагрузки на канал. Поскольку число принятых пакетов может быть низким из-за плохого состояния канала ввиду интерференции, то также используется параметр качества канала. Качество канала может быть вычислено на основе FER (frame error rate, вероятность потери кадра), силы принятого сигнала и т.п. Вся собранная узлами информация передается лидеру кластера. Загруженность и качество канала используется в качестве метрик для выбора наиболее подходящего канала для default-интерфейса.
Для назначения каналов для non-default-ин-терфейсов также необходимо учитывать интерференцию. Для этого предлагается использовать размер очереди узла (больший размер очереди говорит о большей степени интерференции). Периодически каждый из узлов передает информацию о канале и размере очереди лидеру кластера. Вначале происходит назначение граничных узлов, затем каналы назначаются в порядке удаления от лидера кластера.
Предложенная схема назначения каналов позволяет повысить производительность сети в 2 раза по сравнению со схемой D- Hyacinth. Это объясняется прежде всего использованием множественных путей, а также уменьшением накладных расходов путем уменьшения числа станций, которым необходимо делать широковещательные рассылки на всех своих радиоинтерфейсах.
Несмотря на большое количество предложенных механизмов, все они используют в качестве основы некоторые эвристики, поэтому нет уверенности в том, что назначение каналов является оптимальным, что оставляет большое пространство для дальнейшего исследования. Кроме того, механизмы назначения каналов
носят универсальный характер без учета сценария использования mesh-сети, что приводит к высокой сложности алгоритма. Это, в свою очередь, влечет низкую эффективность при его реализации.
Необходимо добавить, что большинство работ по решению данной задачи направлено на разработку универсальных схем назначения каналов, что приводит к высокой сложности алгоритмов, усложняет их практическую реализацию и снижает их эффективность. Более эффективными являются подходы, ориентированные на конкретный сценарий использования mesh-сети.
Литература
1. IEEE Sid 802.11-2007, Revision of IEEE Std 802.11-1999. IEEE Std 802.11-2007, IEEE Standard for Information Technology — Telecommunications and information exchange between systems — Local and metropolitan areanetwork-Specific requirements — Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications. IEEE Computer Society, June 2007.
2. IEEE P802.11s/D2.0. Draft STANDARD for Information Technology — Telecommunications and information exchange between systems — Local and metropolitan area networks — Specific requirements — Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment: Mesh Networking [Electronic resource] / IEEE Standards Activities Department.-[USA]: IEEE, 2008.
3. Raniwala A., Gopalan K., Chiueh T. Centralized channel assignment and routing algorithms for multichannel wireless mesh networks. ACM Mobile Computing and Communications Review, 2004, vol. 8, pp. 50-65.
4. Легков К.Е., Федоров А.Е. Беспроводные Mesh-сети специального назначения // Инфоком-муникационные технологии. №2, 2009. С. 25-37.
5. Легков К.Е., Донченко А.А. Беспроводные mesh сети специального назначения // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2009. Т.3. №3. С. 36-37.
Ill Международная выставка современной продукции, новых технологий и услуг железнодорожного транспорта
^»xporail2009
18 — 20 марта
ЦВК "ЭКСПОЦЕНТР", Москва
High technologies
in Earth space research - *
№ 1-2009 11
