CC BY
99
5 декабря 2011 г. 14:48
Y
ТЕХНОЛОГИИ
Методы повышения производительности беспроводных mesh-сетей специального назначения
Ключевые слова:
беспроводной доступ, IEEE 802.11,
Wi-Fi, mesh-сети
Легков К.Е.,
Научный сотрудник
Северо-Кавказского филиала МТУСИ,
consH@mail.nj
Mesh-сети — перспективный класс широкополосных беспроводных сетей передачи мультимедийной информации, которые являются одним из направлений развития технологии Wi-Fi [1] и описываются в стандарте IEEE 802.1 Is [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 тд. 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 СОТруДНИКО. 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
В настоящее время наиболее распространенной технологией беспроводного доступа, которая повсеместно применяется для передачи большого количество трафика различного вида, является стандарт беспроводных локальных сетей 1ЕЕЕ 802.11. Одним из самых перспективных направлений развития технологии \Vi-Fi стали тезЬ-сети, описываемые в стандарте 1ЕЕЕ 802.11*. В статье рассмотрена возможность применения данного стандарта для сил специального назначения и работа некоторых известных алгоритмов назначения каналов в сетях 1ЕЕЕ 802.11*.
условиях единого информационного пространства мест проведения операций должна функционировать по особым правилам.
Останавливаясь на тезЬ-сетях 1ЕЕЕ 802.11$ [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 те5Ь-сетях 1ЕЕЕ 802.11$ [3], необходимо отметить, что данная спецификация рекомендует применять станции (узлы), содержащие несколько радиоинтерфейсо в. 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 алгорит-
мов назначения каналов в сетях IEEE 802.11 s — алгоритм Hyacinth с централизованным способом назначения каналов [3, 4]. Рассмотрим типичную mesh-свть, в которой каждый из узлов может одновременно работать как точка доступа, так и в качестве mesh-станции [3]. Некоторые устройства могут быть еще и шлюзами во внешнюю сеть. Каждое из mesh-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, которью, 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 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 за-
T-Comm #6-2010
17
А
ТЕХНОЛОГИИ
Y
канчивоется, 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 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 инте
Траффик
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:
Ожидаемая нагрузка на соединение £ одижаемая нагрузка
ПрСл = --------------------------------- х
соединения из области интерференции
х Проп. способность канала.
Алгоритм маршрутизации может быть использован любой. По сравнению с одноканальным решением, даже с использова-
нием всего двух интерфейсов пропускная способность сети возрастает в 6-8 раз.
Алгоритм СоМТаС, представленный в 2008 г., позволяет использовать сразу несколько путей для передачи данных от одной станции до другой. Сеть представляется в виде графа G{V,E), где V — множество узлов (mesh-станций), а Е — множество возможных соединений между ЭТИМИ уЗЛОМИ. ЛоГИчески на каждом из узлов выделяется так называемый default-интерфейс (интерфейс по умолчанию). В дальнейшем, все интерфейсы, отличнью от интерфейсов по умолчанию, будем назвать non-defoult-интерфейса-ми. 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 (defoult-канал). Для межкластерного взаимодействия пограничные узлы выделяют еще один интерфейс (им назначается defoult-канал соседнего кластера с наименьшим идентификатором).
Преимуществом такого разделения является минимизация числа узлов, которым необходимо делать рассылку широковещательных пакетов сразу с нескольких интерфейсов.
Далее алгоритм пытоется построить множественные пути между узлами
С задействованием non-default-интвр- Рис 1- Алгоритм C-Hyacinlh
фейсов. Для этого из изначального графа выделяется подграф такой, что для любых двух вершин оставлены только те пути между ними, "цена" которых не превосходит больше чем в 1 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:
• Non-default-интepфeйc, связывающий узлы из разных кластеров, не должен быть использован для связи с узлами из того же самого кластера.
Каналы* маршрутизация
18
T-Comm #6-2010
Л
Y
ТЕХНОЛОГИИ
• 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 усто-новления "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-интерфейсом, каждого из узлов сконфигурирован таким образом, что он периодически (каждые ТЕ 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-интерфейсо.
Для назначения каналов для поп-4е1аик-интерфейсов 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 0-НуааШЬ. 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 тезЬ-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 направ-
лено 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-свти.
Литература
1. IEEE Sd 802.11-2007, Revision of IEEE Sid 802.11-1999. IEEE Sd 802.11-2007, IEEE Standard for Information Technology-Telecommunicalions and «formation exchange between syslems-Local and metropolitan area nelwofk-Spedfic requirements-Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical layer (PHY) specifications. IEEE Compiler Society, June 2007.
2. IEEE P802.11 s/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 Departmenl.-(USA): IEEE, 2008.
3. Raniwalo A., Gopalan 1C, 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 Легкое ICE., Донченко AA Беспроводные Mesh-свти специального назначения.// Телекоммуникации и транспорт. — №3, 2009. С 36-37.
Methods to improve performance of special purpose wireless mesh-networks
Logkov ICYe.
Currently, tie most common wireless technologies, which is commonly used to transfer considerable quantity of various traffic, is a wireless LANs standaid, IEEE802.11. The mesh-networks described in standard IEEE 802.11 s became one of Ihe most perspective directions of the Wi-fi technology development. The possibility of applying this standard for Special Forces and the work of some wel-known algorithms for channel assignments in networks of IEEE 802.11 s is considered
Keywords wireless access, IEEE 802.11, Wi-fi, meshnetworks
References
1. IEEE STD 802.11-2007, Revision of IEEE STD 802.11-1999. IEEE STD 802.11-2007, IEEE Standard for Information TechrxJogy-Telecommunications and information exchange between systems Local and mefropdilcn area neKvork-Specific requirements-Part 11: Wireless IAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications. IEEE Computer Society, June 2007.
2. IEEE P802.11 s/D2.0. Draft STANDARD lor Information Technology — Telecommunications and information exchange between systems — Local and mefeopollan area networks — Specific requirements — Part 11; Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment; Mesh Networking [Electronic resource] / IEEE Standctds Activities Department-{USAj: IEEE, 2008.
3. Ranrwafo A, Gopakn K., Chiueh T. Centralized channel assignment and routing algorthms for mufe-channe! wireless mesh networks. ACM Mobile Computing and Communications Review, 2004, vol 8, pp. 50-65.
4. legkov ICYe, Donchenko AA Besprovodnye Mesh-seti spetsialnogo naznacheniyx// Telekommunrkafsii і transport. № 3 2009. pp. 36-37.
T-Comm #6-2010
19
Ж
