آگوست 6

شبکه‌های، بی‌سیم، گره‌های، MAC، پروتکل‌های

ه توپولوژی شبکه آن‌ها از تحرک نسبتا بالایی برخوردار است.
شکل ‏27- تقسیم بندی شبکه‌های چند گامی[23]
شبکه‌های حسگر از یک سری گره‌های حسگر کوچک تشکیل شده اند. این گره‌ها قادر به جمع آوری اطلاعاتی نظیر پارامترهای فیزیکی محیط می‌باشند. وظیفه این گره‌ها در واقع ارسال اطلاعات به گره‌های مراقب (مونیتورینگ) می‌باشد. در این نوع شبکه‌ها ارتباطات به صورت تک گامی‌و یا چند گامی برقرار می‌شود.[a35]
شبکه‌های‌هایبرید به طور هم زمان می‌توانند از ارتباطات چندگامی‌و تک گامی‌بهره بگیرند. شایان ذکر است که شبکه‌های سلولی و شبکه‌های بی‌سیم در حلقه‌های محلی جزء شبکه‌های تک گامی‌محسوب می‌شوند. شبکه‌های مش نیز از ارتباطات چند گامی‌استفاده می‌کنند.
معماری شبکه‌های مش بی‌سیم
شبکه‌های بی‌سیم مش از دو نوع گره تشکیل می‌شوند: مسیریاب‌ها یا نقاط مش34 و کاربران مش[a36]35. علاوه برقابلیت مسیریابی برای عملیات تکرار کنندگی و یا اتصال به اینترنت که در یک مسیریاب بی‌سیم معمولی نیز وجود دارد، مسیریاب مش بی‌سیم قابلیت اعمال دیگری را نیز برای کنترل و تطبیق شبکه ی مش بی‌سیم دارد. برای ایجاد قابلیت انعطاف بیشتر در شبکه‌های مش نقاط مش معمولا مجهز به واسط‌های بی‌سیم چندگانه هستند که بر مبنای یک یا چند فناوری دسترسی بی‌سیم ساخته می‌شوند. در مقایسه با یک مسیر یاب معمولی[a37]، یک MP پوشش مشابه را با استفاده از مخابرات چند پرشی، با توان ارسال بسیار پائین تر بدست می‌دهد. می‌توان پروتکل[a38] MAC در نقاط مش را به منظور قابلیت تغییر مقیاس بیشتر در یک محیط مش چند پرشی گسترش داد. کاربران‌ مش نیز دارای عملگرهایی[a39] ضروری برای شرکت در شبکه‌های مش هستند و می‌توانند به عنوان مسیریاب نیز عمل نمایند؛ با این وجود، قابلیت اتصال به اینترنت در این گره‌ها در نظر گرفته نمی‌شود. همچنین MC معمولا دارای تنها یک واسط بی‌سیم بوده و در نتیجه، نرم افزار و سخت افزار به کار رفته در MC بسیار ساده تر از[a40] MP است.بنابراین تنوع بسیار بیشتری از MP داشته و می‌تواند رایانه رومیزی و یا جیبی، PDA، تلفن IP و بسیاری از اداوات دیگر باشد. معماری شبکه‌های بی‌سیم مش را می‌توان برمبنای عملکرد گره به سه دسته اصلی تقسیم نمود، که در ادامه به آن‌ها پرداخته می‌شود[23].
شبکه‌های مش بی‌سیم به عنوان شبکه‌ی زیر ساخت36
ساختار این شبکه‌ها در شکل (2-8) نمایش داده شده است؛ نقطه چین‌ها و خط‌های پر به ترتیب اتصالات بی‌سیم و سیمی را نشان می‌دهند. این نوع WMN‌ها شامل زیر ساختی از نقاط مش برای اتصال کاربران‌ بوده و می‌توانند بر مبنای فناوری‌ها مختلفی از جمله Wi-Fi ،WiMAX، LTE_Advanced ساخته شوند.
نقاط دسترسی، شبکه‌ی مشی [a41]متشکل از اتصالات “خود ترمیم37″ و”خود شکل38” را در بین خود ایجاد نمایند [a42]و می‌توانند به اینترنت نیز متصل شوند. این ساختار امکان مجتمع سازی شبکه های مش را با شبکه‌های بی‌سیم موجود، ایجاد می‌نماید.کاربران معمولی با واسط اترنت[a43] وکاربران با فناوری رادیوی مشابه MP، به طور مستقیم به نقاط مش متصل می‌شود. اگر فناوری‌های رادیویی متفاوتی استفاده شده باشد، کاربران[a44] باید از طریق ایستگاه‌های مبنایی که اتصالات اینترنت دارند به نقاط مش وصل شوند[2].
ساختار شبکه‌های بی‌سیم مش زیرساخت، پرکاربردترین نوع مش‌ها است. برای مثال، شبکه‌های[a45] متشکل از همسایه‌ها در یک ناحیه، و یا اجتماعات کوچک با استفاده از این ساختار شکل می‌گیرند. نقاط دسترسی بر روی سقف خانه‌ها در یک همسایگی قرار گرفته و هر کدام به عنوان یک نقطه اتصال برای کاربران و در خیابان عمل می‌کند[a46]. معمولا دو نوع رادیو در مسیریاب‌ها استفاده می‌شود؛ یکی برای مخابرات زیر ساخت و یکی برای مخابرات کاربران. مخابرات زیر ساخت را می‌توان با استفاده از فناوری‌های مخابره‌ی با برد زیاد و[a47] با استفاده از آنتن‌های جهت دار برقرار[a48] کرد[22].
شکل ‏28- ساختار شبکه مش زیربنایی[22].
شبکه‌های مش بی‌سیم کاربران39
ایجاد شبکه مش در بین کاربران، دسترسی “همتا به همتا40” آن‌ها به یکدیگر را امکان پذیر می‌کند. کاربران‌ همه‌ی اعمال لازم جهت مسیر یابی و شکل دهی شبکه را علاوه بر برآورده نمودن تقاضای کاربران نهایی انجام داده و دیگر نیازی به نقاط مش در این ساختار نیست. ساختار ابتدایی این نوع شبکه در شکل(2-9) نمایش داده شده است. بسته ای که مقصدش گره ای در شبکه است با گذر از گره‌ها به مقصد نهایی خود می‌رسد. معمولا در این شبکه‌ها از یک نوع رادیو بر روی ادوات مختلف استفاده می‌شود. همچنین تجهیزات لازم برای کاربران نهایی در مقایسه با ساختار زیربنایی افزایش می‌یابد؛ چراکه در این ساختار کاربران نهایی می‌بایست اعمال دیگری نظیر مسیریابی و خود ترمیمی‌ را نیز انجام دهند[23].
شکل ‏29- ساختار WMN کاربران [22]
شبکه‌های مش بی‌سیم ترکیبی
همانطور که در شکل(2-10) نشان داده شده است، این ساختار ترکیبی از شبکه‌های مش کاربران و زیر ساخت است. کاربران‌ می‌توانند هم از طریق نقاط مش[a49] ، دسترسی به شبکه داشته باشند و هم به طور مستقیم با استفاده از شبکه مش میان خود ارتباط داشته باشند؛ در حالیکه زیر ساخت موجود، اتصال به شبکه‌های دیگر مانند اینترنت، ، سلولی و حسگری را امکان پذیر می‌سازد. قابلیت مسیریابی در کاربران‌، اتصال و پوشش را در داخل گسترش می‌دهد. ساختار ترکیبی بیشترین استفاده را در میان WMN داراست[22].
مقایسه شبکه‌های مش بی‌سیم و Ad-hoc
اگر چه WMNرا شبکه‌های بی‌سیمی‌تعریف می‌کنیم که در بخشی یا در تمام قسمت‌های ساختار شبکه توپولوژی مش به کار رفته باشد، ولی در عمل مشخصه‌ی WMN‌ها آن است که در قسمتی از شبکه با استفاده از توپولوژی مش و گره‌های رله41 نسبتا ثابت، زیرساختار توزیع شده ای برای گره‌های کاربران تامین کنند[22].
به خاطر وجود توپولوژی مش در شبکه، WMN انتقال داده را با چند گام مشابه شبکه‌های بی‌سیم Ad-hoc انجام می‌دهد. با وجود اینکه شبکه‌های Ad-hoc شبیه به WMNها هستند ولی پروتکل‌ها و معماری طراحی آن هنگامی‌که به WMNها اعمال می‌شود بسیار ضعیف عمل می‌کند.
شکل ‏210- WMN ترکیبی [22].
این اختلافات طراحی اصولا ناشی از تفاوت در کاربردها، اهداف توسعه و محدودیت‌های استفاده از منابع می‌شود. همچنین معیارهای بهینه سازی طراحی برای این دو شبکه متفاوت است. برای مثال شبکه‌های Ad-hoc عموما برای محیط‌هایی با تحرک زیاد ولی در مقابل WMNها برای محیط‌های ایستان و یا باتحرک محدود طراحی شده اند. لذا گره‌های Ad-hoc متحرک هستند و اکثر گره‌های انتقال دهنده ترافیک در WMN‌ها ثابت هستند.
شبکه‌های Ad-hoc فاقد زیرساخت و موقتی و به راحتی قابل گسترش هستند و بیشتر کاربرد نظامی‌دارند. در مقابل WMNها دارای زیرساخت بوده و نسبتا برای مدت طولانی راه اندازی می‌شوند. لذا طراحی شبکه قبل از گسترش آن ضروری می‌باشد و همچنین این شبکه‌ها هم کاربرد نظامی‌و هم غیرنظامی‌دارند. از تفاوت‌های بارز این دو شبکه میزان مصرف توان است. در Ad-hoc چون گره‌ها عموما متحرک هستند و از باتری استفاده می‌کنند، محدودیت مصرف توان به شدت احساس می‌شود. لیکن در WMNها دو نوع گره وجود دارد. گره‌های ثابت (مسیریاب‌ها) که محدودیتی در مصرف توان ندارند و گره‌های متحرک (که عمدتا کاربر هستند) و مشابه گره‌های Ad-hoc در مصرف توان محدودیت دارند. در جدول (2-1) این دو شبکه با هم مقایسه شده اند:
جدول 2-1 – مقایسه شبکه‌های مش بی‌سیم و Ad-hoc
ویژگی
شبکه‌های مش بی‌سیم
شبکه‌های بی‌سیم Ad-hoc
نسبتا ایستا
تحرک زیاد
تحرک گره‌های رله42 کننده
متوسط تا زیاد
محدودیت انرژی
مشخصه کاربرد
دائمی‌– نیمه دائمی
موقتی
نیاز به زیرساخت
زیرساخت ثابت (جزئی – کامل)
بدون زیرساخت
گره‌های رله کننده
گره‌های ثابت
گره‌های متحرک
مسیریابی
توزیعی (جزئی – کامل) و با جدول‌های مسیریابی سلسله مراتبی
کاملا توزیعی43 و برحسب تقاضا44
گسترش45 شبکه
نیاز به طراحی
به آسانی
مشخصه ترافیک
عموما ترافیک کاربر و حسگر
عموما ترافیک کاربر
سناریوهای کاربرد
نظامی‌و غیر نظامی
عموما نظامی
مسائل مربوط به لایه‌های شبکه و زمینه‌های باز تحقیقاتی
لایه فیزیکی
لایه فیزیکی سیستم‌های مخابراتی بی‌سیم، مربوط به انتقال بیت‌های خام از فرستنده به گیرنده و مسائل مربوط به آن نظیر مدولاسیون، کدینگ و طراحی آنتن می‌شود. تحقیقات در این زمینه شامل سیستم‌های بی‌سیم مختلفی می‌باشد[a50] و مختص به WMNها نمی‌شود[22].
در حال حاضر تکنیک‌هایی نظیر تسهیم یا تقسیم متعامد فرکانس46 (OFDM) و باند فوق پهن47 (UWB) برای انتقال‌هایی[a51] با سرعت بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای افزایش ظرفیت شبکه‌های بی‌سیم و مقابله با تداخل هم شنوایی48 و محو شدگی و … روش‌های زیر ارائه شده اند. اگرچه این تکنیک‌های لایه فیزیکی برای سایر شبکه‌های بی‌سیم نیز سودمند است اما توسعه چنین تکنیک‌هایی برای شبکه‌های مش بسیار چالش برانگیز است[22و23].
MIMO49: این سیستم‌ها با بهره گیری از آنتن‌های چندگانه و پردازش پیشرفته سیگنال موجب افزایش ظرفیت می‌شوند[22].
آنتن‌های شکل دهنده پرتو50: این آنتن‌ها قادرند به منظور کاهش تداخل و در نتیجه افزایش ظرفیت به طور دینامیکی توان سیگنال را در جهت مطلوب متمرکز کنند[22].
رادیو شناختی51: این روش مبتنی بر نرم افزار است و قابلیت تنظیم پارامترهای سیستم به صورت دینامیک[a52] را دارد و بنابر خواسته کاربر تطبیق وفقی[a53] و دینامیکی به سیستم می‌دهد. این امر موجب استفاده[a54] بهتر از عرض باند می‌شود. پیاده سازی رادیو شناختی برروی بستر رادیوی نرم افزاری52 گزینه بسیار خوبی به نظر می‌رسد. در این بستر تمام مولفه‌های رادیویی از جمله باند RF، روش‌های دسترسی به کانال و مدولاسیون کانال قابلیت برنامه ریزی دارند. برای مثال، سیستم رادیو شناختی می‌تواند بهره بری گسترده وسیعی از طیف رادیویی را اندازه گیری کند و به باندهای بدون استفاده سوئیچ کند[a55]. به عبارت دیگر با این تکنیک می‌توان عرض باند اشغال نشده را به طور دینامیک شناسایی کرد. اگرچه این تکنیک پتانسیل زیادی در بهبود بازده ی طیفی و افزایش ظرفیت دارد ولی این تکنیک هنوز به طور کامل ارائه نشده است و در حال توسعه می‌باشد. امید است در آینده به عنوان یک تکنولوژی کلیدی مطرح شود. شکل (2-11) [22و23[a56]]
شکل ‏211 – رادیو شناختگر
کارت‌های شبکه بی‌سیم رادیویی: این تکنیک اخیرا برای افزایش ظرفیت WMNها ارائه شده است. با رادیوهای چندگانه که برروی کانال‌های متعامد کار می‌کنند و هرگره می‌تواند به طور همزمان ارسال و دریافت داده بدون تداخل میان کانال‌ها داشته باشد. پتانسیل این راهکار در [25] نشان داده شده است. با اضافه شدن یک رادیوی دیگر به هرگره در WMNها میانگین گذردهی می‌تواند 6 تا 7 برابر بهبود یابد. مزیت کلیدی این روش کم هزینه بودن آن است. چون این تکنیک بر روی سخت افزار‌های موجود پیاده سازی می‌شود[2].
با این که این روش‌ها برای شبکه‌های بی‌سیم ارائه شده اند، ولی کاربرد آن‌ها در WMNها نیازمند تحقیق و تفحص بیشتری می‌باشد. شبکه‌های مش به طور کلی پیچیدگی بیشتری نسبت به شبکه‌های بی‌سیم محلی و شبکه‌های سلولی دارند.
لایه‌ی دسترسی53 در شبکه‌های مش بی‌سیم
به طور کلی پروتکل‌های لایه ی MAC در شبکه‌های مش بی‌سیم در مقایسه با دیگر شبکه‌های بی‌سیم از چند لحاظ متفاوت می‌باشند[a57] [25] که در ذیل به آن‌ها اشاره خواهیم کرد:
پروتکل‌های لایه‌ی MAC در شبکه‌های مش بی‌سیم، با مخابرت چندپرشی روبروست. این در حالیست که پروتکل‌های کلاسیک MAC به مخابرات تک پرشی محدود شده و پروتکل‌های مسیریابی، مسئولیت مخابرات چند پرشی را برعهده دارند. می‌دانیم که لایه‌های مسیریابی و MAC نسبت به عملکرد یکدیگر شفاف54 هستند. این امر موجب سهولت در طراحی پروتکل می‌شود. با این وجود، این روش در مش‌ها به خوبی عمل نمی‌کند، چرا که ارسال و دریافت اطلاعات در هرگره تنها تحت تاثیر گره‌های موجود در داخل یک پرش قرار نمی‌گیرد و از گره‌های موجود در چند پرش آن طرف تر نیز تاثیر می‌پذیرد. موضوع گره‌‌های مخفی در یک شبکه‌ی بی‌سیم LAN یکی از مثال‌های چنین مشکلی است. ایستگاه مخفی در یک ارسال در شبکه‌های چند پرشی مطرح می‌شود. اگر هنگام ارسال و دریافت بسته‌های داده بین ایستگاه‌های فرستنده و گیرنده ایستگاه سومی‌ باشد که متوجه این محاروه(ارتباط) [a58]نشده و ارسال از جانب آن، اختلال[a59] در دریافت صحیح را در گیرنده سبب شود، این ایستگاه سوم نقش ایستگاه مخفی را بازی می‌کند. به عبارت دیگر ایستگاه مخفی برای هرایستگاه، ایستگاهی است که در برد بی‌سیم ایستگاه مفروض نباشد اما ارسال از طرف آن، ارتباط ایستگاه فرض شده با مقصدش را مختل کند.
شکل ‏212- مشکل ترمینال مخفی در A و C
MAC برای مخابره چند نقطه به چند نقطه، به صورت توزیع شده و همکارانه[a60]55 عمل می‌کند و در WMN ممکن است هیچ کنترل کننده مرکزی‌ای وجود نداشته باشد. عملکرد توزیع شده‌ی MAC به این معناست که پروتکل MAC باید از همکاری همه ی گره‌ها در ارسال اطلاعات اطمینان حاصل کند. هم چنین هرگره‌ی مش با قابلیت شبکه‌یابی، قادر به برقراری ارتباط[a61] با همه ی گره‌های مش‌های همسایه اش است؛ در نتیجه می‌توان مخابرات چند نقطه به چند نقطه را در بین این گره‌ها برقرار کرد.
توانائی[a62] خودسازماندهی شبکه برای لایه‌یMAC ضروری است. پروتکل این لایه می‌تواند از چگونگی شکل بندی هندسی شبکه مطلع باشد؛ این امر موجب همکاری بهتر بین گره‌های همسایه و گره‌های موجود در فواصل چند پرش شده و در نتیجه عملکرد MAC در محیط چند پرشی بهبود می‌یابد. در برخی شرایط، خود سازماندهی شبکه برمبنای کنترل توان، موجب بهینه شدن شکل بندی شبکه، به حداقل رساندن تداخل بین گره‌های همسایه و در نتیجه افزایش ظرفیت شبکه می‌شود.
حرکت بر عملکرد لایه ی MAC تاثیر دارد. حرکت گره‌ها، به صورت پویا پیکربندی شبکه را تغییر داده و در نتیجه به صورت قابل ملاحظه ای بر عملکرد پروتکل MAC اثر می‌گذارد. برای این که شبکه با تحرک گره‌ها تطبیق داشته باشد و حتی بتواند از این خاصیت استفاده کند، گره‌ها باید اطلاعات شکل بندی هندسی شبکه را با یکدیگر مبادله کنند.
برای طراحی یک لایه‌ی MAC با قابلیت گسترش پذیری برای WMN، این تفاوت‌ها را باید در نظر داشت. بدین منظور، می‌توان از دو طرح برای لایه ی دسترسی در این شبکه‌ها بهره گرفت. راه اول توسعه‌ی پروتکل‌های MAC موجود و یا افزایش برون‎دهی نهایی56 در مواقعی است که تنها یک کانال منفرد در هرگره‌ی شبکه در دسترس است. راه دوم، اجازه ی ارسال برروی کانال‌های چندگانه در هرگره‌ی شبکه است [22].
در ادامه، پروتکل‌های MAC موجود تک کاناله و چندکاناله را به صورت مجزا بررسی می‌نماییم.
MAC تک کاناله
در این زمینه سه راهکار وجود دارد [22]:
گسترش پروتکل‌های MAC موجود: درحال حاضر با گسترش پروتکل CSMA/CA، پروتکل‌های MAC متعددی برای شبکه‌های اقتضایی چند پرشی پیشنهاد شده است. معمولا در این طرح‌ها، پارامترهایی مانند اندازه‌ی پنجره‌ی رقابت57 مطابق با شرایط مختلف تغییر می‌یابد. این روش‌ها می‌توانند برون دهی را برای مخابرات تک پرشی افزایش دهند. با این وجود از آن جا که این راه حل‌ها هنوز نمی‌توانند احتمال وقوع تصادم بین گره‌های همسایه را به میزان قابل ملاحظه ای کاهش دهند، در موارد چند پرشی، مانند WMN به برون دهی[a63] انتهایی پایینی دست می‌یابند. مادامی‌که این تصادم‌ها رخ دهد، هرروشی که برای تغییر شیوه ی عقب نشینی و یا[a64] راه حلی[a65] برای[a66] این برخوردها به کار رود، بازهم به دلیل اثر انباشتگی در مسیر چندپرشی، کارایی[a67] به شدت کاهش می‌یابد.
طراحی بین لایه ای58 با روش‌های پیشرفته ی لایه ی فیزیکی[a68]:
در این مورد دو طرح اساسی وجود دارد[a69]:
MAC برمبنای آنتن‌های جهت[a70] دار، مانند آن چه در [26] آمده است.
MAC با کنترل توان.
در صورتی که اشعه ی آنتن59 ایده آل در نظر گرفته شود، طرح اول، مشکل گره‌های در معرض تابش[a71] قرارگرفته را برطرف می‌کند. با این حال به دلیل ارسال‌های جهت دار ناشی از این آنتن‌ها، گره‌های مخفی بیشتری تولید می‌شود و در نتیجه برای کاهش تعداد گره‌های مخفی، باید راه حل‌های جدیدی توسعه داده شود. هم چنین پروتکل‌های MAC برمبنای آنتن‌های جهت‌دار[a72] با مشکلات دیگری از قبیل قیمت، پیچیدگی سیستم و عملی بودن تغییر جهت سریع تشعشع آنتن جهت‌دار[a73] روبه رو هستند.
طرح دوم باهدف کاهش مصرف توان توسعه داده می‌شود و مشکل گره‌های در معرض قرار گرفته را مخصوصا در شبکه‌های پراز ازدحام، کاهش داده و در نتیجه ضریب استفاده‌ی مجدد مکانی طیف60 را در WMNها افزایش می‌دهد. با این وجود، مشکل گره‌های مخفی هم چنان وجود داشته و حتی ممکن است بدتر شود؛ چراکه سطح توان ارسالی پایین تر، احتمال آشکارسازی گره‌های با پتانسیل تداخل را کاهش می‌دهد.
نوآوری و پیشنهاد پروتکل‌های MAC جدید. برای حل اساسی مسئله‌ی برون دهی پایین در یک محیط اقتضایی چندپرشی مانند WMN، راه حل‌های مبتکرانه مورد نیاز است.
به دلیل قابلیت گسترش پذیری ضعیف در این شبکه‌ها، پروتکل‌های دسترسی تصادفی مانند CSMA/CA کارآمد نبوده و در نتیجه طراحی مجدد برمبنای TDMA و یا CDMA، یک موضوع تحقیقاتی مهم است که البته تا امروز، تعداد پروتکل‌های پیشنهادی برای WMN براین مبنا زیاد نبوده است؛ این امر به



همه حقوق محفوظ است

Posted آگوست 6, 2018 by 92 in category "مقالات

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *