می‌بایست به نحوی سازمان دهی و مدیریت شود که بتواند بهره‌‌‌وری و بازدهی بالایی داشته باشد، به نحوی که احتمال عدول از شرایط تضمین شده برای سرویس و هم چنین هزینه های لازم کمینه شود. هدف اصلی این پژوهش، ارائه‌ی پیشنهادی برای تضمین کیفیت سرویس در شبکه‌های مش بی‌سیم است. سعی بر آن است الگوریتم پیشنهادی ضمن دارا بودن شرایط مقیاس پذیری و نیز قابلیت استفاده در کنار سایر الگوریتم های موجود؛ تضمین خوب، قابل قبول و تا حد ممکن دقیقی را برای پارامتر تأخیر فراهم آورد. با توجه به این که تضمین کیفیت سرویس به صورت انتها به انتها عمدتا مبتنی بر زمان‌بندی مناسب رله‌ها و گرهها با BS در تخصیص و رزرو کردن کانال در مسیر بین مبدا تا مقصد است، در این پژوهش تلاش شد برپایه‌ی الگوریتم‌های بهینه سازی ژنتیک، قابلیت تضمین انتها به انتهای کیفیت سرویس در شبکه‌های مش بی‌سیم را فراهم آوریم.
فصل دوم
شبکه‌های مش بی‌سیم
چشم‌انداز
شبکه‌های مش بی‌سیم 20 (WMN) یکی از فناوری‌های کلیدی و تاثیرگذار طی دهه پیش رو هستند و نقش بسیار مهمی در نسل‌های آتی شبکه‌های بی‌سیم و سیار ایفا خواهند کرد و بر اساس پیش‌بینی آقای Akyildiz شبکه‌های مش بی‌سیم در دهه آینده تمامی‌شبکه‌های بی‌سیم را تحت تاثیر خود قرارخواهد داد و به جایگزینی مناسب برای آنها تبدیل خواهد شد [3و22]. به کمک این شبکه‌ها رویایی که از دیرباز در ذهن بسیاری از کاربران گوناگون انواع شبکه‌ها در سرتاسر دنیا بوده به تحقق نزدیک‌تر می‌شود؛ و این رویا چیزی نیست جز اتصال به شبکه در هر زمان و هر لحظه و با نهایت سادگی و کمترین هزینه.
شکل 2 1- شبکه بی‌سیم مش[a26]
با این تفاسیر شبکه‌های WMN نقش بسیار مهمی‌در نسل بعدی اینترنت ایفا می‌کنند. توانایی خود-سازماندهی21 این شبکه‌ها به طرز چشمگیری پیچیدگی استقرار، حفظ و نگهداری شبکه را کاهش داده و در نتیجه ضمن بالا بودن قابلیت اطمینان و بهبود بخشیدن به ظرفیت شبکه، هزینه‌های متصور را نیز کاهش می‌دهد.
این شبکه‌ها مشتمل[a27] بر مسیریاب‌های مش و نیز کاربران مش می‌شوند که در آن مسیریاب‌های مش کمترین تحرک ممکن را دارند و ستون فقرات WMN را شکل می‌دهند. آنها دسترسی به شبکه را هم برای کاربران مش و هم برای کاربران عادی فراهم می‌آورند.
شکل 2 2- کاربران مش (چهار عکس سمت راست) و مسیریاب‌های مش (دو عکس سمت چپ)[3]
در شکل (2-3) نمونه ای از شبکه مش بی‌سیم پیاده سازی شده در دانشگاه جورجیا نمایش داده شده است. این شبکه مش که BWN-Mesh نامیده شده است در واقع یک شبکه backhaul مش متشکل از 15 گره بر اساس استاندارد IEEE 802.11b/g است. هدف از این پیاده سازی انتقال ترافیک شبکه برای دسترسی به اینترنت است.
شکل 2 3- شبکه مش BWN-Mesh تست شده در دانشگاه جورجیا[3]
ادغام شبکه‌های WMN با دیگر شبکه‌ها مانند اینترنت، IEEE802.16، IEEE802.15، IEEE802.11، شبکه‌های حسگر و … از طریق دروازه‌ها و پُل‌های موجود در مسیریاب‌های مش امکان‌پذیر است[22]. کاربران مش هم می‌توانند ثابت و یا متحرک باشند و به خودی خود یا در کنار مسیریاب‌های مش یک شبکه کاربر مش تشکیل دهند. انتظار می‌رود شبکه‌های WMN ، محدودیت‌های شبکه‌های Ad-Hoc، WLANها، WPANها و WMANها را برطرف کرده و کارکرد آنها را بهبود بخشند.
برخلاف شبکه‌های سلولی که از کار افتادگی یک ایستگاه پایه (BS)22 در شبکه، سبب قطع شدن ارتباط در محدوده جغرافیایی بزرگی می‌شود؛ در WMNها اگر حتی درکار تعدادی از گرههای23 شبکه اختلال پیش بیاید، مابقی شبکه کماکان ارتباط خود را حفظ کرده و انتقال ترافیک توسط سایر گرهها صورت می‌پذیرد.[23]
یکی از مهمترین کاربردهای شبکه‌های WMN، ایجاد زیرساخت بی‌سیم برای دسترسی به اینترنت در مناطقی است که زیرساخت24 سیمی(فیبر نوری، زوج سیم، کابل کواکسیال و …) وجود ندارد و یا از لحاظ اقتصادی به صرفه نیست. در این مناطق از این تکنولوژی که پیاده‌سازی بسیار ارزان‌تر و سریع‌تری نسبت به همتای سیمی‌خود دارد، استفاده می‌شود[22 و23] همچنین با گسترش[a28] شبکه‌های Ad-Hoc، WMNها تبدیل به یک توپولوژی مهم در تکمیل زیرساخت شبکه‌های بی‌سیم شده اند.
آزمایشها و تجربیات به دست آمده از مطالعات و پیاده سازی این شبکه‌ها، نوید دهنده تحولی بزرگ در شبکه‌های بی‌سیم آتی است. از اینرو استفاده از این تکنولوژی با توجه به توزیع و پراکندگی شهرها و روستاها در کشورمان بسیار راهگشا و مفید به نظر می‌رسد.
علی رغم این که این شبکه‌ها براساس فن آوری‌های کنونی قابل پیاده سازی هستند، ولی نمونه‌های ساخته شده مختلف نشان می‌دهند که عملکرد این شبکه‌ها پایین تر از انتظارات می‌باشد لذا طراحی مجدد لایه‌های مختلف WMNها از اهمیت خاصی برخوردار می‌باشد[a29][23]. به عنوان مثال یکی از این مشکلات که در این پایان نامه نیز بدان اشاره خواهد شد بحث زمان‌بندی ارسال گرههای شبکه است که هنوز به عنوان یک موضوع تحقیقاتی پویا نظر محققان را در این زمان به خود جلب کرده است.
طراحی مسیریاب‌های مش قابل انعطاف جهت ایجاد یک شبکه زیرساخت قابل اعتماد که مسیریابی ترافیک در کل شبکه را به نحوی مناسب انجام دهند، از اهمیت زیادی برخوردار است لذا ارائه روش‌ها و پروتکل‌هایی جهت رویارویی با ترافیک‌های محلی و گذری در مسیریاب‌های مش حائز اهمیت خواهد بود.[2 ]
توپولوژی شبکه
توپولوژی نقطه به نقطه25 (PTP)
شبکه نقطه به نقطه از یک یا چند لینک ثابت تشکیل می‌شود و در این حالت معمولا آنتن‌های گیرنده و فرستنده با سمت گرایی بالا مورد استفاده قرار می‌گیردشکل(2-4[a30]).
شکل 2 4- توپولوژی شبکه نقطه به نقطه[23]
توپولوژی نقطه به چند نقطه26 (PMP)
در حالت نقطه به چند نقطه ایستگاه مبنا(BS)، نقش مهمی‌در هماهنگ کردن و برقراری ارتباطات دارد و ایستگاه‌های مشترک27[a31] (SS) باید قبل از این که با SSهای دیگر تبادل داده داشته باشند تحت مدیریت ایستگاه مبنا ابتدا با BS ارتباط برقرار کنند و از طریق BS با SS دیگر تبادل داده کنند. این توپولوژی شبیه معماری شبکه‌های سلولی است[23] شکل (2-5).
توپولوژی مش
این توپولوژی به طور کلی هم به صورت حلقه و هم به صورت ساختارهای شاخه ای پیاده‌سازی می‌شود. مزیت عمده این مدل این است که شبکه مش مسیرهای غیرمستقیم برای اتصال کاربرانی را فراهم می‌کند که ممکن است دچار فقدان دید مستقیم28 نسبت به BS باشند. از این طریق تعداد کاربران متصل به شبکه را افزایش می‌دهد. لذا ترافیک هر کاربر[a32] باید در بعضی مواقع از طریق چندین گره مسیردهی شود. در این توپولوژی ممکن است به گذردهی کمتری نسبت به شبکه‌های PMP دست یابیم. زیرا در شبکه‌های PMP فقط یک گام29 برای اتصال SS به BS وجود دارد ولی در عوض پوشش بیشتری در شبکه‌های مش خواهیم داشت.
در این توپولوژی برخلاف حالت PMP در ارتباط SSها تفکیک واضحی میان لینک فروسو[a33]30 و لینک فراسو31 وجود ندارد و هرSS می‌تواند به صورت مستقیم با دیگر گرههای همسایه اش بدون کمک BS ارتباط برقرار کند. در این توپولوژی عموما یک یا چند گره نقش BS را دارند و تشکیل زیرساخت شبکه بی‌سیم را داده و شبکه مش را به شبکه‌های[a34] دیگر مانند اینترنت متصل می‌کنند. همان طور که ملاحظه می‌کنید در این توپولوژی برخلاف دو حالت قبل بین BS و SS مقصد، چند گام می‌تواند قرار بگیرد. در بخش بعد شبکه‌های بی‌سیم چندگامی‌را معرفی می‌کنیم[24].
شکل 2 6- توپولوژی شبکه ی مش[2]
شبکه‌های بی‌سیم چندگامی32
شبکه‌های بی‌سیم چند گامی‌مطابق شکل (2-7 ) عمدتا به شبکه‌های زیر تقسیم می‌شوند[23]:
شبکه‌های بی‌سیم Ad-hoc
شبکه‌های بی‌سیم حسگر
شبکه‌های مش بی‌سیم
شبکه‌های بی‌سیم‌هایبرید33
شبکه‌های Ad-hoc اساسا شبکه‌های فاقد زیرساخت هستند که توپولوژی شبکه آنها از تحرک نسبتا بالایی برخوردار است.
شکل 2 7- 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 2 8- 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
