Концепции размещения ячеистых сетей IEEE 802.11
Аннотация: последние тенденции в международной стандартизации показывают стремление индустрии выпускать на рынок товары, поддерживающие беспроводные локальные ячеистые сети (WLAN). Новая технология поддерживает прозрачное расширение покрытия сети, не нуждаясь в дорогостоящих и негибких проводах для подключения точки доступа (ТД). Среди предусмотренных вариантов использования, снабжение высокоскоростным беспроводным доступом в Интернет перенаселённых городских районов является одним из самых интересных и в то же время самых сложных. В этой статье мы проанализируем, какие из концепций размещения смогут обеспечить эффективную настройку ячеистой сети в таких случаях. Для этого мы воспользуемся реалистичной моделью системы, которая будет включать в себя сильную затенённость в городских районах. Затем мы представим алгоритм по созданию топологий, который будет размещать ТД в соответствии с различными критериями оптимизации в данном районе. На основе этого алгоритма мы оценим различные концепции размещения, которые включают в себя параметры для используемой полосы частот, мощности передачи и усиления антенны. Наконец, результаты позволят нам обоснованно судить о возможностях и сопутствующей сложности ячеистых сетей WLAN.
I. Введение
Сеть WLAN стандарта IEEE 802.11 является довольно успешной на рынке. Одно из её основных приложений – возможность подключения мобильных устройств к Интернету: мобильные станции (STA) связываются со стационарной точкой доступа, направляя пакеты данных между проводными и беспроводными сетями. Так как расстояние между STA и ТД ограничено из-за потерь при распространении на канале, полное покрытие большой территории с помощью беспроводного доступа требует нескольких взаимосвязанных точек доступа.
Если проводная структура для соединения ТД не подходит, то беспроводная магистраль для кратного числа ТД становится жизненно необходимой. Таким образом, ТД передают пакеты данных от привязанных к ним STA через другую ТД к проводной сети и назад. Как правило, одна ТД имеет несколько соседних, которые обеспечивают защиту от разрывов соединения. Участвующие в этом ТД образуют ячеистую сеть и называются беспроводными точками доступа (БТД). В настоящее время Исследовательская Группа (ИГ) "S" из IEEE 802.11 прикладывает все усилия на разработку поправки к стандарту, который определяет функциональность таких БТД, включая механизмы для выбора пути, безопасность и усовершенствование управления доступом к среде (MAC).
Один из самых видных прецедентов для будущего ячеистых сетей IEEE 802.11s – открытый доступ к сети для густонаселенных районов. Они сравнимы с понятием «горячих точек», где одна или несколько ТД размещены провайдером и подключены через проводную магистраль. Использование беспроводной ячеистой сети (WMN) для подключения БТД сохраняет стоимость установки проводных сетей, а настройки сети становятся более гибкими. Изменения в структуре сети, топология и плотность БТД могут быть реализованы, чтобы приспособиться к колебаниям поведения пользователей и их требованиям. Таким образом, беспроводные сети общего доступа на основе стандарта IEEE 802.11s могут рассматриваться как естественное улучшение «горячих точек».
Статья преимущественно сфокусирована на топологию ячеистых сетей IEEE 802.11s. В условиях реалистичной модели канала (представлен в разделе II) мы представляем алгоритм, который вычисляет оптимальное размещение БТД в данной области (раздел III). Кроме того, анализируются требования по плотности БТД при минимальном уровне покрытия. Наконец, в разделе IV сравнение различных возможных концепций размещения, в том числе интеллектуальных антенн, увеличения мощности передачи и различных характеристик приемника, покажет стратегии оптимизации.
А. Связанные работы
Проблема, обсуждаемая в этой статье, связана с двумя областями исследований: планирование (как правило, сотовых) беспроводных сетей доступа и дизайн WMN.
Исследование по первому вопросу существует с начала размещения сотовых сетей, многие существует много сложных методов, чтобы настроить параметры системы с учетом различных критериев оптимизации. Широкий обзор проектных параметров для нескольких сотовых типов сетей приведён в сноске [2]. Проблема жёсткости позиционирования базовых станций для сотовых сетей была недавно показана как NP-жёсткая в сноске [3]. Таким образом, применяются методы приближения с имитированной закалкой как самые успешные (пример в сноске [4]).
Хотя проблемы, которые обсуждаются и решаются для беспроводных сетей доступа, похожи на проблемы размещения в WMN, решения не могут быть переданы непосредственно: хотя перекрытия зон покрытия следует избегать в сотовых сетях, оно имеет важное значение для ячеистых сетей.
В отличие от сотовых сетей, исследования по разработке WMN гораздо моложе; широкий обзор текущего состояния приводится в сноске [5]. Проблемы позиционирования базовой станции рассматриваются в сноске [6]. Во-первых, они доказывают (так же, как в сноске [3]) NP-трудность задачи; затем они предлагают и анализируют точный алгоритм для топологий регулярной сетки. Кроме того, как просто жадные, так и алгоритмы локального поиска оцениваются с помощью случайных топологий, и оба с хорошими результатами. Кроме упрощённых моделей канала, главное отличие наших работ это ограничение доступа кандидата с базовых станций на сайты, где размещаются STA.
Благодаря наилучшим знаниям наших авторов, не существует таких работ, которые выходили бы за рамки позиционирующих проблем базовых станций и сравнивали различные возможные концепции размещения WMN. Мы заполним этот пробел и обеспечим руководство, которое установит зависимые настройки параметров и поспособствует экономичному и успешному размещению IEEE 802.11 на основе WMN.
II. Системная модель
Рассмотрим круговую область с радиусом R = 250м, которая должна быть покрыта беспроводным доступом в Интернет, используя ячеистую сеть, состоящую из n БТД, расположенных на pi, i = 1... n. Каждая БТД покрывает часть, обозначаемую COVi, которая определяется системной моделью. Мы делим эту модель на две части: канал и возможность физического уровня.
А. Подмодель канала
Подмодель канала определяет качество принятого сигнала от узла Ni до узла Nj, расположенного на рi и рj соответственно. Одним из наиболее важных требований для этой модели является вмешательство сильного затенения, которое возникает в результате сочетания отсутствия угла обзора и используемого спектра, который значительно выше диапазона 2 ГГц, т.е. 5.5/2.4GHz для IEEE 802.11. Это означает, что не только расстояние между двумя узлами должно быть включено.
Следовательно, в этой модели два элемента ослабляют принимаемый сигнал: детерминированный путь потерь pl и стохастическое затенение s. Для пути потерь формула из сноски [7] применяется для вычисления потерь на трассе между двумя узлами:
pl(pi, pj) [dB] =10y log10 (d(pi, pj))+ 20 · log10 _ c fc · 4__, (1)
где «y» обозначает коэффициент пути потерь, d(pi, pj) это расстояние между pi and pj, c означает скорость света и fc – центральную частоту.
Измерения сигналов в городских районах показывают, что колебания затенений могут быть охарактеризованы логарифмически нормальным распределением (сноска [8]), где уровень сигнала (измеряется в dBm) следует распределению Гаусса. Кроме того (сноска [9]), подчеркивается, что пространственные корреляционные свойства случайных процессов играют значительную роль.
Таким образом, мы будем придерживаться обсуждений, данных в сносках [10] и [11], и создадим «Нормальный процесс 4-D», который зависит от расположения передатчика и приёмника. Одним из примеров этого процесса представлена 4-D карта затенений s(Xi, Yi, Xj, Yj).
Корреляции между значениями гарантируют, что незначительные движения передатчика или приемника не приводят к значительному изменению затенения. Так как каждое движение имеет самостоятельное и равное влияние на корреляцию (сноска [11]), корреляционная функция может быть описана с помощью произведения двух независимых идентичных 1-D «Функций автокорреляции» (ACFS).
Таблица I: варианты канальной модели значений параметров для плотной городской застройки.
Рисунок 1: мощность приёма (dBm) от источника расположена в центре и передаёт с мощностью в 23 dBm.
Эту ACF можно моделировать с помощью экспоненциальной функции распада (сноска [12]):
R(_d) = e−|_d| ln 2. (2)
Параметр dcor соответствует расстоянию, на котором корреляция падает до 50%. Для того, чтобы имитировать процесс затенения, мы применяем метод суммы-от-синусоиды, где s(.) рассчитывается как
ˆs(xi, yi, xj, yj) =NXn=1cn cos 2_fn(xi, yi, xj, yj)T + _n_. (3)
Правильная настройка параметров N, сп, п и? П зависит от совместной корреляционной функции (JCF) и объясняется в сноске [11].
Для рассматриваемых вариантов плотного заселения рекомендованные значения параметров модели можно увидеть в таблице I. Вместе с дополнительным усилением антенны gi и gj на передатчике и приемнике сила принимаемого сигнала во время передачи с мощность Pi dBm может быть вычислена как:
P(pi, pj) [dBm] = Pi [dBm] + gi + gj − pl(pi, pj) − s(pi, pj) (4)
При использовании этой модели узел, расположенный в точке (0, 0) и передающий с 23 dBm на 5.5GHz может, например, производить приём окружающей среды, как показано на рисунке I.
Таблица II: минимальный принимаемый сигнал (RSSmin) для IEEE 802.11 модуляции и схемы кодирования (MCSs).
В данном примере видно, что территория покрытия узла потертые и несмежные, что является результатом затенения. Таким образом, статическая дальность передачи не может быть определена. Кроме того, симметрия связи не поддерживается, так как s(pi, pj) = s(pj, pi) имеет место быть только в редких случаях, когда расстояние чуть больше или равно dcor. Как следствие, невозможно охватывать области, используя геометрическую модель (например, шестиугольную), и поддерживать правильное расположение БТД.
Б. Модель физических слоёв.
Модель физических слоёв решает, в каких условиях передаваемый пакет данных декодирован приёмником безошибочно. Цель модели системы состоит в том, чтобы вычислить такую зону покрытия каждой БТД, какую мы сочтём оптимальной, то есть в условиях без помех. Таким образом, возможность приёма зависит только от полученного сигнала и качества радиоприёмника.
IEEE 802.11a/g определяет минимальную силу принимаемого сигнала (RSS) стандартного совместимого устройства (ссылка [13]). Если указанная RSS достигнута, то коэффициент ошибок в принимаемом пакете данных (PER) должен быть меньше 10% размера пакета из 1000B. Таким образом, эти значения обеспечивают минимальные возможности, которые можно ожидать от коммерчески доступных радиоволн.
Существующее программное обеспечение направлено на улучшение стандартных значений; таким образом, можно говорить о сниженной входной чувствительности. Некоторые производители публикуют исполнительные листы используемых радиоволн, которые производят хорошее впечатление возможностями современных доступных устройств.
В таблице II минимальные значения RSS для модуляции и схемы кодирования (MCS) IEEE 802.11a/g, даны так, как того требует стандарт; так же, как и используемая до настоящего времени ТД – Cisco Aironet 1240AG. Используя эти значения, можно определить зоны покрытия COVi для БТД, расположенных на рi. Во-первых, определяются области покрытия восходящих и нисходящих линий:
COVi, (MCS) = {p 2 A: P (p, pi) _ RSSmin (MCS)}(5)
COVi,! (MCS) = {p 2 A: P (pi, p) _ RSSmin (MCS)}(6)
Наконец, двунаправленная зоны покрытия COVi представляет собой пересечение восходящих и нисходящих COVi.