Беспроводные mesh сети специального назначения Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

т

ТЕХНОЛОГИИ

Беспроводные mesh-сети специального назначения

В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННОЙ ТЕХНОЛОГИЕЙ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА, КОТОРАЯ ПОВСЕМЕСТНО ПРИМЕНЯЕТСЯ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ БОЛЬШОГО КОЛИЧЕСТВА ТРАФИКА РАЗЛИЧНОГО ВИДА, ЯВЛЯЕТСЯ СТАНДАРТ БЕСПРОВОДНЫХ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ IEEE 802.11. ОДНИМ ИЗ САМЫХ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ WI-FI СТАЛИ MESH-СЕТИ, ОПИСЫВАЕМЫЕ В СТАНДАРТЕ IEEE 802.11S. В СТАТЬЕ РАССМОТРЕНА ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ДАННОГО СТАНДАРТА ДЛЯ СИЛ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ И РАБОТА ОДНОГО ИЗ ИЗВЕСТНЫХ АЛГОРИТМОВ НАЗНАЧЕНИЯ КАНАЛОВ В СЕТЯХ IEEE 802.11S -HYACINTH С ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫМ СПОСОБОМ НАЗНАЧЕНИЯ КАНАЛОВ.

Легков К.Е.,

научный сотрудник Северо-Кавказского филиала МТУСИ, Ростов-на-Дону, e-mail:constl@mail.ru Донченко АА.,

зам. директора Северо-Кавказского филиала МТУСИ по научной работе, Ростов-на-Дону, e-mail:risint@mail.ru

36

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. 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 может одновременно работать как точкой доступа, так и в качестве mesh-станции [3]. Некоторые устройства могут быть еще и шлюзами во внешнюю

T-Comm #3-2009

Л

т

ТЕХНОЛОГИИ

Ожидаемая нагрузка на соединение ,

--------------^-----------------------хпроп. способность канала

у ожидаемая нагрузка

соединения из области интерференции

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. рисунок), а затем итеративно повторять процесс назначения каналов и маршрутизации до момента, когда пропускные способности каждого из соединений будут максимально 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 I 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 соедине-

ние I и ожидаемый трафик между ними.

Соединения рассматриваются в порядке ПрС„. = 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 минимальной.

Под степенью интерференции понимается сумма ожидаемых нагрузок на соединения внутри области интерференции. Для вычисления пропускной способности соединения используется следующая формула:

Траффик

Начальная оценка загрузки

загрузка і

Назначение каналов

Каналы 1

Определение пропускной способности соединений

Пропускные способности

Маршрутизация

Ожидаемая нагрузка ’ Для всех с Г оединений Нет

^-^Цропускная слое. >=ожид нагрузка Да

Каналы ч-маршрутизация

у

Алгоритм C-Hyacinth

Алгоритм маршрутизации может быть использован любой. По сравнению с одноканальным решением, даже с использованием всего двух интерфейсов, пропускная способность сети возрастает в 6-8 раз.

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 Std 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 area network-Specific requirements-Part 1 1: 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 multi-channel wireless mesh networks. ACM Mobile Computing and Communications Review, 2004, vol. 8, pp. 50-65.

4. Raniwala A. Tzi-cker Chiueh. Architecture and algorithms for an IEEE 802.11-based multichannel wireless mesh network. Proc. of INFOCOM '05, vol. 3, pp. 2223- 2234.

T-Comm #3-2009 37

A