آگوست 6

گره‌‌‌، زمانبندی، BS، متمرکز، زمانبندی

بخش دوم شامل پیغام MSH-DSCH127 است. تعداد پنجرههای زمانی بخش زمانبندی توزیع شده به وسیله پارامتری به نام MSH_DSCH_NUM تعیین میشود. این پارامتر[a168] مقداری مابین 0 تا 15 میگیرد.
پیغامهای MSH-CSCF و MSH-CSCH از جمله پیغامهای مدیریتی همه پخشی MAC بوده که برای زمانبندی متمرکز در مد مش ارسال میشود. پیغام MSH-CSCF که به وسیله BS ایجاد میشود، اطلاعات پیکربندی کانال و درخت مسیریابی را در خود دارد. براساس اطلاعات مربوط به درخت مسیریابی که در پیغام MSH-CSCF است، همه SSها یک درخت مسیریابی که در آن BS ریشه درخت و SSها فرزندان آن هستند را نگهداری می‌کنند. SSها به وسیله پیغام MSH-CSCH پهنای باند درخواستی خود را به BS میدهند. BS نیز از این پیغام برای واگذاری پهنای باند درخواستی به SSها استفاده میکند. همچنین اطلاعات مربوط به تغییر در درخت مسیریابی در MSH-CSCH می‌باشد.
[a169] MSH -DSCH یک پیغام مدیریتی از نوع همه پخشی در لایه MAC است که برای زمانبندی توزیع شده هماهنگ در مد مش ارسال میشود. در زمانبندی توزیع شده هماهنگ128، تمام گره‌‌‌ها برای مطلع ساختن همسایههای خود از زمانبندی ایستگاه ارسال کننده، در بازههای زمانی منظم این پیغام را ارسال میکنند. پروتکل هماهنگی میان گره‌‌‌ها در استاندارد آورده شده است.
مابین هر دو فریمی که حاوی زیرفریم کنترل شبکه هستند، به تعداد مشخصی فریم با زیرفریم کنترل زمانبندی ارسال میشود، این تعداد را پارامتر شبکه[a170]، SCHEDULING_FRAME ، تعیین میکند. برای مثال اگر این پارامتر معادل 3 باشد، مابین هر دو فریم متوالی که حاوی زیرفریم کنترل شبکه هستند، 3×4 فریم کنترل زمانبندی ارسال میشود.
تعداد پنجرههای زمانی در یک زیرفریم کنترلی، معادل MSH-CTRL-LEN است، که عددی مابین 0 تا 15 میباشد. MSH-CTRL-LEN پارامتری است که به وسیله زیرفریم پیکربندی شبکه در سطح شبکه پخش میشود. در یک زیرفریم کنترلی هرپنجره زمانی معادل 7 سمبل OFDM است. از این 7 سمبل، 4 سمبل برای ارسال اطلاعات و 3 سمبل به عنوان محافظ استفاده میشوند. هر پنجره زمانی میتواند یک پیغام کنترلی (سیگنالینگ) را حمل کند.
زیرفریم دیتا
از زیرفریم دیتا، برای حمل ترافیک کاربر استفاده میشود. در این زیر فریم به پنجرههای زمانی، پنجره زمانی[a171] خرد129 گفته میشود. نرخ ارسالی که یک پنجره زمانی خرد میتواند فراهم آورد، به فاکتورهای مختلفی بستگی دارد. برای مثال میتوان از[a172] مدولاسیون و روش کدینگ (MCS) مورد استفاده توسط فرستنده برای ارسال دیتا به گیرنده را[a173] نام برد. هر گره‌‌‌ به طور پویا و براساس کیفیت سیگنال دریافتی در لایه فیزیکی، MCS را تغییر میدهد. یک زمانبندی شامل اختصاص یک یا چندین پنجره زمانی خرد است. طول این پنجرهها در یک زیرفریم دیتا (تعداد سمبلهای OFDM درون هر پنجره زمانی خرد)، به تعداد کل سمبلهای OFDM در فریم مش و تعداد پنجرههای زمانی در زیرفریم کنترلی (MSH-CTRL-LEN) بستگی دارد. تعداد کل سمبلهای OFDM در فریم مش خود به طول فریم و پهنای باند مورد استفاده بستگی دارد. جدول(3-3) تعداد کل سمبل های OFDM در فریم مش با توجه به طول فریم و پهنای باند کانال را نشان میدهد.
جدول 3-3- تعداد کل سمبل های OFDM در فریم مش با توجه به طول فریم و پهنای باند کانال([ 39])
سمبل های OFDM
20M Hz BW
10M Hz BW
مدت زمان فریم
(میلی ثانیه)
1600
تعداد سمبلهای OFDM درون یک پنجره زمانی خرد از رابطه (3-1) محاسبه میشود:
(3-1) (سمبل)دیتا فریم زیر در خرد زمانی‌های پنجره طول =(فریم در OFDM های سمبل تعداد-7×(MSH-CTRL-LEN) )/256
استاندارد 802.16 تعداد پنجرههای زمانی خرد در زیرفریم دیتا را به این دلیل محدود به 256 میکند که فیلدهای بسته‌های کنترل زمانبندی، 8 بیت طول دارند. ممکن است باتوجه به طول فریم و زیر فریم کنترلی تعداد پنجرههای زمانی خرد کمتر از 256 شود. تعداد واقعی پنجرههای زمانی در زیر فریم دیتا از رابطه (3-2) به دست میآید:
(3-2) دیتا فریم زیر در زمانی پنجره‌های واقعی تعداد=⌊ ┤ (فریم در OFDM های سمبل تعداد-7×(MSH-CTRL-LEN) )/(دیتا فریم زیر در خرد زمانی پنجره‌های طول ) ├ ⌋
برای مثال، اگر طول فریم برابر 10 میلیثانیه، پهنای باند OFDM برابر 20 مگاهرتز و MSH-CTRL-LEN برابر 10 باشد، طول یک پنجره زمانی خرد از رابطه (3-1) معادل 3 محاسبه میشود. همچنین باتوجه به رابطه (3-2)، 243 پنجره زمانی خرد در زیر فریم دیتا خواهیم داشت.
ارسال هجمه‌های[a174] دیتا[a175] به اندازه 2 یا3 سمبل محافظ OFDM سربار دارد. تعداد سمبلهای محافظ و طول پنجرههای زمانی خرد، درشتدانگی تخصیص پهنای باند را تحت تاثیر قرار میدهند. برای مثال فرض کنیم مدولاسیون BPSK-1/2 استفاده میشود، طول فریم برابر 10 میلیثانیه، طول پنجرههای زمانی خرد معادل 3 سمبل OFDM و هرارسال دیتا 3 سمبل محافظ سربار دارد. با این فرضیات و باتوجه به جدول 3-2 کوچکترین بسته دیتا 36 بایت بوده (36=(8/96) ×3) که نیاز به دو پنجره زمانی خرد دارد. 3 سمبل محافظ معادل یک پنجره زمانی خرد است که سربار ارسال میباشد. لذا 100% سربار ارسال داریم. اندازه بسته بعدی 72 بایت است که در 3 پنجره و پس از آن بستهای به اندازه 108 بایت بوده که در چهار پنجره ارسال میشود. سربار ارسال در این دو حالت به ترتیب 50% و 33% میباشد. همچنین این درشتدانگی گویای این مطلب است که پهنای باندی که تخصیص داده میشود بایستی با گامهای 28.8kbps افزایش یابد.
استاندارد IEEE 802.16 تقسیم پنجرههای زمانی یک زیرفریم دیتا به دو بخش را مطرح میکند که به شیوه «پارتیشن130» معروف باشد. پنجرههای زمانی در بخش اول به وسیله مکانیزم زمانبندی متمرکز، زمانبندی میشوند. پنجرههای زمانی در بخش دوم به وسیله مکانیزم زمانبندی توزیع شده، زمانبندی میشوند. هنگامی که پیکربندی اولیه شبکه مش بیسیم صورت میگیرد، ماکزیمم درصدی از پنجرههای زمانی در یک زیرفریم دیتا که به وسیله مکانیزم زمانبندی متمرکز زمانبندی میشوند (MSH-CSCH-DATA-FRACTION)، به وسیله پیغام MSH-NCFG در شبکه پخش میگردد. شکل (3-13) این مطلب را نشان میدهد. در روش پارتیشن، تنها یکبار هنگامی که شبکه مش بیسیم پیکربندی میشود، پنجرههای زمانی برای زمانبندیهای متمرکز و توزیع شده رزرو میشوند و تا پیکربندی بعدی تغییر نخواهند کرد.
شکل ‏313- تخصیص پنجره های خرد در روش پارتیشن کردن
این روش، راه حل بهینهای نمیباشد. زیرا ممکن است الگوی ترافیک در تعیین کرانههای پارتیشن به صورت دقیق در نظر گرفته نشده باشد و بکارگیری پنجرههای زمانی، بهینه نباشد. در [40] با تمرکز بر این موضوع که روش پارتیشن کردن قابل انعطاف نیست، روشی به نام CDC131 پیشنهاد شده است. دراین روش با اعمال تغییر در زمانبندی متمرکز، SSها تعداد پنجرههای زمانبندی شده با مکانیزم متمرکز را محاسبه میکنند. در پریود زمانبندی بعدی SSها میتوانند پنجرههای زمانی آزاد را که می توانند برای زمانبندی توزیع شده استفاده شوند، معین کنند. از آنجا که هر دو زمانبندیهای متمرکز و توزیع شده مدنظر میباشد، این روش ترکیبی از روشهای متمرکز و توزیع شده میباشد.
نحوه ورود یک گره‌‌‌ به شبکه
از آنجا که 802.16 پروتکلی بدون تصادم132 و مبتنی بر TDMA است، برای اطمینان از اینکه گره‌‌‌های جدید در ارسالهای جاری اختلال ایجاد نکنند، نیاز به مکانیزمی دقیق برای ورود یک گره‌‌‌ به شبکه و سنکرون شدن آن با شبکه مش است. این مکانیزم، گامهایی که باید یک گره‌‌‌ برای ورودبه شبکه طی کند و کانالهای منطقیای که در هرگام اجازه دسترسی به آنها را دارد را مشخص مینماید شکل(3-14) در ادامه به این مراحل پرداخته میشود.
شکل ‏314-مراحل ورود یک گره‌‌‌ به شبکه[36]
1- جستجو برای شبکه فعال و سنکرون سازی با شبکه : گره‌‌‌ کاندید (گره‌‌‌ی که میخواهد به شبکه مش وارد شود) باگوش کردن به بستههای MSH-NCFG ارسالی توسط گره‌‌‌های شبکه، خود را باکرانه فریمهای شبکه سنکرون می‌کند. همچنین اطلاعاتی در مورد شبکه (پارامترهای پیکربندی شبکه) را از بستههای MSH-NCFG میگیرد.
2- تعیین گره[a176] اتصال: گره‌‌‌ کاندید اولین گره‌‌‌ی از شبکه که دو بسته MSH-NCFG از آن دریافت میکند را به عنوان گره‌‌‌ی که پتانسیل اسپانسرشدن دارد، در نظر میگیرد. سپس با ارسال یک بسته MSH-NENT به آن گره‌‌‌ علاقه‌مندی خود را اعلام میکند. اگر این گره‌‌‌ درخواست گره‌‌‌ کاندید را پذیرفت، اسپانسر گره‌‌‌ کاندید میرساند و با ارسال یک تاییدیه در بستههای MSH-NCFG، آن را به اطلاع گره‌‌‌ کاندید میرساند و[a177] بازهای از پنجرههای زمانی در کانال دیتای خود را به گره‌‌‌ کاندید اختصاص میدهد.
3- تشخیص هویت133: گره‌‌‌ کاندید از کانال دیتای گره‌‌‌ اسپانسر برای گرفتن تاییدیه هویت از BS، استفاده مینماید. پس از گرفتن تایید، میتواند ازکانال پخش فراگیر برای پیکربندی و زمانبندی استفاده کند. همچنین کانال اسپانسر را با ارسال بسته MSH-NENT در کانال پایه، خاتمه میدهد.
4- رجیستر کردن و زمانبندی: پس از این مرحله به گره‌‌‌ تازه وارد شناسه داده میشود و با تخصیص پهنای باند به آن، می‌تواند از کانال دیتا استفاده نماید.
الگوی زمانبندی مبتنی بر استاندارد IEEE 802.16
همان طور که اشاره شد در بحث زمانبندی در مد مش استاندارد 802.16 با دو موضوع روبرو هستیم:
1 . زمانبندی ارسال پیغام‌های کنترلی.
2. زمانبندی ارسال دیتا.
در متن استاندارد 802.16 الگوریتم زمانبندی برای ارسال پیغام‌های کنترلی در مد مش تعریف شده است. در ارتباط با زمانبندی ارسال دیتا، اگرچه نحوه سیگنالینگ و ساختار پیغامهای کنترلی‌ که ممکن است به این منظور بکار گرفته شود مشخص شده است، جزئیات الگوریتم زمانبندی و نحوه دسترسی کارا و عادلانه گره‌‌‌ها به کانال و رزرو پنجره‌های زمانی زیر فریم دیتا در متن استاندارد نیامده و به زمان پیاده‌سازی استاندارد موکول شده است. در این پایان نامه تمرکز بر روی مکانیزم‌های زمانبندی به منظور تخصیص پنجره‌های زمانی برای ارسال دیتا است.
لایه MAC چگونگی رقابت گره‌‌‌های بی‌سیم[a178] و به اشتراک گذاشتن منابع محدود رادیویی را مشخص می‌کند. لذا نقش تعیین کنندهای در ارتباطات بی‌سیم دارد. بطور کلی، یک گره‌‌‌ بی‌سیم نمی‌تواند همزمان[a179] در یک پهنای باند سیگنال[a180] ارسال و دریافت کند. بنابر این تشخیص تداخل در هنگام ارسال مشکل است. لذا ارسال همزمان ترمینالهای پنهان می‌تواند باعث بروز تداخل شود. علاوه بر این، مشکل ترمینال‌های مخفی134 نیز کارایی سیستم را کاهش می‌دهد. بنابراین هدف اولیه پروتکل‌های MAC در شبکه‌های مش بی‌سیم، اجتناب از تداخل و انجام ارسال‌های همزمان است. معیارهای کارایی در طراحی MAC گذردهی، تاخیر، عدالت، پشتیبانی از خدمات سرویس و آسیب پذیری لینک هستند. MAC در شبکه‌های بی‌سیم، بر این مبنا که دسترسی به رسانه مشترک به صورت متمرکز و یا توزیع شده کنترل می‌شود، به دو گروه MAC متمرکز و MAC توزیع شده دسته‌بندی می‌شود.
MAC متمرکز معمولا برای شبکه‌های مبتنی بر ساختار اولیه135، که اطلاعات کل شبکه در MAC کنترل[a181] کننده مرکزی نگهداری شده و توان پردازشی زیادی وجود دارد، طراحی می‌شود. کنترل کننده مرکزی اطلاعات ترافیک و کانال را از گره‌‌‌های سیار جمع‌آوری می‌کند و منابع را به وسیله مکانیزم‌های سرشماری136، رزرو یا درخواست-
تخصیص137 به گره‌‌‌ها اختصاص می‌دهد. از سوی دیگر MAC توزیع شده برای شبکه‌هایی که فاقد زیر ساخت اولیه138 می‌باشند، مانند شبکه‌های موردی139 که فاقد یک کنترل کننده[a182] مرکزی هستند، مناسب است. در این شبکه‌ها هر گره‌‌‌ بر اساس دید محلی خود از کانال دسترسی خود به کانال را تعیین می‌نماید.
هدف از زمانبندی، اختصاص پنجره‌های زمانی در زیر فریم دیتا به گره‌‌‌های شبکه به گونه‌ای است که ارسال دو گره‌‌‌ در یک پنجره زمانی، باعث بروز تداخل نشود. همانطور که اشاره شد، زمانبندی به دو روش متمرکز و توزیع شده انجام می‌شود. در مکانیزم متمرکز ، BS مسئول زمانبندی ارسال‌ها در کل شبکه است. در مکانیزم توزیع شده، ارسال‌ها به شکل کاملا توزیع شده و بدون نیاز به تعامل با BS زمانبندی می‌شوند. ترافیک شبکه مش بی‌سیم را می‌توان در دو دسته مختلف جای داد: ترافیک اینترانت و ترافیک اینترنت. ترافیک اینترانت، به ترافیک میان دو SS که در یک شبکه مش مشابه قرار دارند، گفته می شود. ترافیک اینترنت نیز به ترافیک میان SS و سرور کاربردی‌140 در اینترنت اطلاق می شود. لذا بسته‌ها باید از طریق BS به شبکه خارجی هدایت شوند. یک زیر فریم دیتا می تواند بطور همزمان ترافیک اینترانت و اینترنت را حمل کند. زمانبندی توزیع شده برای انتقال دیتا بین دو SS که در یک شبکه مش بی‌سیم مشابه قرار دارند، بکار میرود. در مقابل، زمانبندی متمرکز امکان ارتباط BS مش و SS را فراهم می‌ آورد. لذا 802.16 برای تخصیص پنجره‌های زمانی در زیر فریم دیتا، مکانیزم زمانبندی توزیع شده را برای ترافیک اینترانت و مکانیزم زمانبندی متمرکز را برای ترافیک اینترنت پیشنهاد می‌کند. از آنجا که ترافیک اینترنت (مابین BS و SSها ) عمده ترافیک شبکه را تشکیل می‌دهد، مکانیزم زمانبندی متمرکز، مکانیزم غالب می‌باشد. لازم است زمانبندی پنجره‌های زمانی در یک زیر فریم دیتا[a183]، برای هر دو نوع ترافیک، به گونه‌ای صورت گیرد که بکارگیری پنجره‌های زمانی بهینه باشد[4و17].
زمانبندی متمرکز و توزیع شده، سطوح متفاوتی از کیفیت سرویس را فراهم می‌آورند. لینک‌هایی که با مکانیزم متمرکز زمانبندی می‌شوند، پهنای باند برایشان به وسیله BS تضمین شده است. تضمین گام به گام پهنای باند در درخت مسیریابی برای مکانیزم متمرکز،امکان تضمین کیفیت سرویس انتها به انتها برای جریانهای ترافیکی را فراهم می‌آورد. در مقابل لینک‌هایی که با مکانیزم توزیع شده زمانبندی می‌شوند، رفتار گذرایی دارند و پهنای باند تخصیص داده شده به آنها به گره‌‌‌های همسایه بستگی دارد. لذا در مکانیزم توزیع شده عدم قطعیت در پهنای باند لینک، کیفیت سرویس best effort را برای اتصال‌های انتها به انتها فراهم می‌آورد. تعیین مینیمم[a184] پنجره‌های زمانی در زیر فریم دیتا که برای زمانبندی متمرکز استفاده می‌شوند، یکی از موضوعات با اهمیت در شبکه‌های مش است. با تعیین مینیمم این پنجره‌ها، علاوه بر اینکه پهنای باند کافی برای سرویس‌هایی که نیاز به تضمین پهنای باند دارند اختصاص داده می شود، پهنای باند بیشتری برای ترافیک best effort باقی خواهد ماند. مکانیزم‌های زمانبندی متمرکز و توزیع شده را می‌توان در یک شبکه و یک فریم، در کنار یکدیگر بکار گرفت. در ادامه ساختار زمان‌بندی متمرکز با دقت بیشتری تشریح می‌شود.
زمان‌بندی متمرکز
هنگامی که از زمانبندی متمرکز در مد مش استفاده می شود، BS مسئول جمع‌آوری درخواست پهنای باند از سوی SSها و مدیریت تخصیص منابع رادیویی در شبکه مش است. در این مکانیزم هر SS با توجه به ترافیک ترمینال‌های خود، پهنای باند انتها به انتهای درخواستی خود را تخمین زده و توسط پیغام کنترلی MSH-CSCH:Request آن را برای BS ارسال می‌کند. پس از جمع‌آوری این درخواست‌ها BS با توجه به درخت مسیریابی(یا درخت زمانبندی)، میزان پهنای باند واگذار شده به لینک‌های شبکه در درخت مسیریابی را محاسبه می‌نماید.
سپس BS نحوه انتساب پهنای باند به گره‌‌‌ها را در قالب پیغام کنترلی MSH-CSCH:Grant در سطح شبکه مش انتشار می‌‌دهد[a185] و آنرا به اطلاع SS ها می‌رساند. انتساب پهنای باند به لینک‌ها باید به گونه‌ای باشد که پهنای باند انتها به انتهای درخواستی تمام SSها ارضاء شود. لذا کارایی زمانبندی متمرکز به درخت مسیریابی که الگوریتم زمانبندی بر روی آن اجرا می شود، بستگی دارد. در این درخت BS ریشه درخت و SS ها فرزندان آن هستند. به منظور کاهش تداخل مابین لینک‌ها، بالانس بار ترافیکی در سطح شبکه، کوتاه کردن پریود زمانی درخواست و اعطاء[a186]141 و ساختار درخت مسیریابی نقش کلیدی بازی می‌کنند[a187]. BS به وسیله پیغام MSH-CSCF ، SS ها را از درخت مسیریابی‌ و تغییرات احتمالی آن مطلع می‌سازد.
قبل از اینکه یک SS (گره‌‌‌ کاندید) روند ثبت نام را برای پیوستن به شبکه آغاز کند، اولین گره‌‌‌ی از شبکه که دو بسته MSH-NCFG از آن دریافت می‌کند را به عنوان گره‌‌‌ی که پتانسیل اسپانسر شدن را دارد، در نظر می‌گیرد. سپس با ارسال یک بسته MSH-NENT به آن گره‌‌‌ علاقه‌مندی خود را اعلام می‌کند. اگر این گره‌‌‌ درخواست گره‌‌‌ کاندید را پذیرفت، اسپانسر گره‌‌‌ کاندید می شود و با ارسال یک تاییدیه در بسته‌های MSH-NCFG آن را به اطلاع گره‌‌‌ کاندید می‌‌رساند. سپس SS از طریق گره‌‌‌ کاندید پیغام ثبت نام را به BS ارسال می‌کند. پس از دریافت این پیغام BS گره‌‌‌ تازه وارد را به عنوان فرزند گره‌‌‌ کاندید، در درخت مسیریابی، تعیین می‌کند و پس از به روز کردن درخت مسیریابی، آنرا به اطلاع تمام SS می‌رساند. لذا آنچه که در استاندارد آمده است، ایجاد درخت مسیریابی بطور تصادفی است و یک درخت پوشای‌142 تصادفی که ریشه آن BS است، تشکیل می شود. لازم به ذکر است که، تنها گره‌‌‌هایی که تعداد گام‌های آنها تا BS کوچکتر از پارامتر HR است می‌توانند به درخت مسیریابی متصل شوند. این آستانه جزء پارامترهای پیکربندی شبکه‌های مش بی‌سیم است که در BS تعیین شده و سایر گره‌‌‌ها به وسیله MSH-CSCF از آن مطلع می‌شوند.
ساختار درخت



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 *