Ανάπτυξη και Αξιολόγηση ενός Ενεργειακά Αποδοτικού Υβριδικού Ευρυζωνικού Δικτύου Πρόσβασης

Transcript

1 Ανάπτυξη και Αξιολόγηση ενός Ενεργειακά Αποδοτικού Υβριδικού Ευρυζωνικού Δικτύου Πρόσβασης Μελίδης Παναγιώτης Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τμήμα Πληροφορικής Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών Επιβλέπων Καθηγητής: Νικοπολιτίδης Πέτρος Φεβρουάριος 2013

2 2

3 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Πέτρο Νικοπολιτίδη, επίκουρο καθηγητή του τμήματος Πληροφορικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης για την πολύτιμη καθοδήγηση και βοήθεια που μου προσέφερε, για την επίλυση αποριών και προβλημάτων, καθώς και για την αμέριστη εμπιστοσύνη που μου έδειξε κατά την διάρκεια εκπόνησης αυτής της διπλωματικής εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα την οικογένεια μου για την φροντίδα, την εμπιστοσύνη και την υποστήριξη τους, προκείμενου να υλοποιήσω έναν ακόμη στόχο μου. 3

4 Περίληψη Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκαν και εφαρμόστηκαν τεχνικές εξοικονόμησης ενέργειας σε ένα υβριδικό ευρυζωνικό δίκτυο πρόσβασης. Παρουσιάστηκε ένας αλγόριθμος αδρανοποίησης, για την αδρανοποίηση των συσκευών του δικτύου που υπολειτουργούν, και ένας αλγόριθμος ενεργειακής δρομολόγησης, ο οποίος μετάγει την κίνηση του δικτύου από τα μονοπάτια με τον μικρότερο υπολειπόμενο φόρτο. Προκειμένου να αξιολογηθούν οι δυνατότητες των τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας, αναπτύχθηκε στην OMNeT++ ένας προσομοιωτής του προτύπου ITU-T G.984 (GPON), ένας προσομοιωτής του προτύπου IEEE (Wi-Fi), και ένας τελικός προσομοιωτής για το υβριδικό δίκτυο πρόσβασης με την χρήση των παραπάνω προτύπων. Στις προσομοιώσεις που διεξήχθησαν αξιολογήθηκε η απόδοση και η ενεργειακή αποδοτικότητα του δικτύου. 4

5 Abstract In this thesis energy efficient techniques have been studied and developed in a hybrid broadband access network. A power-off scheme, in which underutilized network devices are shut down, and an energy routing algorithm, in which traffic is routed through the paths with the least residual capacity, are presented. In order to evaluate these techniques a series of simulators have been developed in OMNeT++, a simulator for the standard ITU-T G.984 (GPON), a simulator for the standard IEEE (Wi-Fi), and a simulator for the access network combining these two standards. In the simulations that have been conducted, energy efficiency is evaluated in conjunction with the throughput of the network. 5

6 Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή Παθητικά Οπτικά Δίκτυα Πρότυπο GPON Αρχιτεκτονική Δικτύου Οπτικές Συσκευές Optical Line Terminal (OLT) Optical Network Unit (ONU) Optical Splitter Optical Distribution Network (ODN) Μετάδοση Δεδομένων Κατωφερής σύνδεση Ανωφερής σύνδεση Δομή πλαισίων Δομή κατωφερούς πλαισίου Δομή ανωφερούς πλαισίου Δομή πλαισίου GEM Μηχανισμός εντοπισμού και διόρθωσης λαθών Ποιότητα υπηρεσιών (QoS) Δυναμική δέσμευση εύρους ζώνης (DBA) Ασφάλεια Δημιουργία προσομοιωτή Τοπολογία του δικτύου Optical Line Terminal (OLT) Optical Network Unit (ONU) Optical Splitter Αποτελέσματα προσομοιωτή

7 Έλεγχος της απόδοσης του OLT Έλεγχος της απόδοσης της ONU Ασύρματα Δίκτυα Υποστηριζόμενες τοπολογίες Αδόμητο Δίκτυο (ad-hoc network) Δίκτυο υποδομής (infrastructure network) Φυσικό επίπεδο Φυσικό επίπεδο υπερύθρων (IR) Φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος μεταπήδησης συχνότητας (FHSS) Φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος άμεσης ακολουθίας (DSSS) Φυσικό επίπεδο ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας (OFDM) Το επίπεδο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (MAC) Διαπλαισιακά διαστήματα (IFS) Ανίχνευση του ασύρματου μέσου Κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού (DCF) CSMA/CA Τεμαχισμός Διαδικασία τυχαίας υπαναχώρησης (Backoff procedure) Δομή των πλαισίων Πλαίσια ελέγχου Πλαίσια δεδομένων Εξοικονόμηση Ενέργειας Δημιουργία προσομοιωτή Τοπολογία του δικτύου Ασύρματος κόμβος Αποτελέσματα προσομοιωτή Έλεγχος της επίδρασης του μεγέθους του πακέτου στην απόδοση του δικτύου

8 Έλεγχος της επίδρασης του τεμαχισμού των πακέτων στην απόδοση του δικτύου Προσομοιώσεις σε μη-πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία Υβριδικό ευρυζωνικό δίκτυο πρόσβασης Αρχιτεκτονική του δικτύου πρόσβασης Ενεργειακός σχεδιασμός Αλγόριθμος αδρανοποίησης Αλγόριθμος ενεργειακής δρομολόγησης Δημιουργία προσομοιωτή Τοπολογία του δικτύου Πύλη Αποτελέσματα προσομοιωτή Ποσοστό απενεργοποίησης οπτικών μονάδων Ποσοστό χρησιμοποίησης οπτικών μονάδων Μέσο μέγεθος μονοπατιού Μέση καθυστέρηση μετάδοσης Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

9 1. Εισαγωγή Η Τεχνολογία Πληροφοριών και Επικοινωνίας (Information and Communication Technology, ICT) αποτελεί πλέον ένα σημαντικό κομμάτι της καθημερινότητας μας, παρέχοντας ένα μεγάλο εύρος από εφαρμογές, όπως η απομακρυσμένη επικοινωνία, οι οικονομικές συναλλαγές μέσω του Διαδικτύου, η πρόσβαση στα κοινωνικά μέσα δικτύωσης, η εργασία σε απομακρυσμένα εικονικά περιβάλλοντα, η πρόσβαση στην γνώση και στο τεράστιο πλήθος πληροφοριών και δεδομένων, που βρίσκονται στο Διαδίκτυο. Η ενεργειακή κατανάλωση, που οφείλεται στις εφαρμογές της ΤΠΕ, αυξάνεται συνεχώς με μεγάλο ρυθμό, καθώς κάθε χρόνο όλο και περισσότεροι υπολογιστές, επικοινωνιακός εξοπλισμός και δίκτυα προστίθενται στο ήδη υπάρχον πλέγμα επικοινωνίας. Εκτιμάται, ότι ο τομέας των Πληροφοριών και Επικοινωνίας καταναλώνει περίπου το 8% της συνολικής ποσότητας ηλεκτρισμού σε ολόκληρο τον κόσμο. Τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα αποτελούν ένα σημαντικό μέρος της ΤΠΕ. Με την αύξηση του όγκου της κίνησης στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, αυξάνεται ραγδαία και η ενεργειακή κατανάλωση της ΤΠΕ. Εάν, η ενεργειακή κατανάλωση συνεχίζει να αυξάνεται με αυτόν τον ανησυχητικό ρυθμό, τότε η έλλειψη ηλεκτρικής ενέργειας θα εμφανιστεί ως εμπόδιο για την μελλοντική επέκταση της ΤΠΕ και των τηλεπικοινωνιακών δικτύων. Για αυτό τον λόγο είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν ενεργειακά αποδοτικές λύσεις στην τηλεπικοινωνιακή δικτύωση, προκειμένου να γίνει βιώσιμη η επέκταση της ΤΠΕ τα επόμενα χρόνια. Σε αυτή την εργασία, μελετάται ενεργειακά το δίκτυο πρόσβασης ενός τηλεπικοινωνιακού δικτύου, δηλαδή το δίκτυο που ενώνει τον τελικό χρήστη με το δίκτυο κορμού (backbone network) και το Διαδίκτυο. Εκτιμάται, ότι τα δίκτυα πρόσβασης καταναλώνουν περίπου το 70% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων και ότι θα συνεχίσουν να συμβάλλουν κατά ένα τεράστιο ποσοστό στη ενεργειακή κατανάλωση του Διαδικτύου για την επόμενη δεκαετία. Με την εφαρμογή ενεργειακά προσανατολισμένων στρατηγικών για την δημιουργία ενεργειακά αποδοτικών δικτύων πρόσβασης είναι δυνατόν να επιτευχθεί μείωση της ενεργειακής σπατάλης, αλλά και να δημιουργηθούν τηλεπικοινωνιακά συστήματα φιλικά προς το περιβάλλον. Άρα, τα μελλοντικά δίκτυα πρόσβασης πρέπει να είναι οικολογικά, λειτουργώντας σε ενεργειακά αποδοτικά πλαίσια, με σκοπό να μειώσουν την κατανάλωση ενέργειας και την εκπομπή μονοξειδίου του άνθρακα. Υπάρχουν πλέον αρκετές τηλεπικοινωνιακές τεχνολογίες πρόσβασης, όπως το xdsl (Digital Subscriber Line), τα ασύρματα και τα κυψελοειδή δίκτυα, οι FTTx (Fiber to the X) οπτικές υλοποιήσεις, και συνδυασμοί των παραπάνω τεχνολογιών σε υβριδικά δίκτυα. Η 9

10 ζήτηση εύρους ζώνης από τους χρήστες αυξάνεται συνεχώς, καθώς εμφανίζονται όλο και πιο απαιτητικές εφαρμογές σε εύρος ζώνης, όπως το video-on-demand, το online-gaming και η High-Definition-TV. Το εύρος ζώνης, που παρέχεται από τις ασύρματες τεχνολογίες και τις τεχνολογίες τύπου xdsl, φτάνουν σταδιακά στο όριο τους, με αποτέλεσμα η μόνη επιλογή για μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης να είναι οι υλοποιήσεις FTTx, οι οποίες αξιοποιούν τις τεράστιες δυνατότητες της οπτικής ίνας. Παρόλα αυτά, το κόστος εγκατάστασης τεχνολογιών FFTx είναι απαγορευτικό ακόμα. Η πιο προσιτή λύση είναι η χρήση υβριδικών δικτύων, με την εγκατάσταση τεχνολογιών FFTx μέχρι ενός σημείου (για παράδειγμα Fiber to the Curb), και η υλοποίηση του υπόλοιπου δικτύου πρόσβασης με DSLx γραμμές και ασύρματα δίκτυα. Η υβριδική αρχιτεκτονική, που μελετάται σε αυτή την εργασία, αποτελείται από ένα παθητικό οπτικό δίκτυο, που λειτουργεί ως back-end, ενώ ως front-end δίκτυο χρησιμοποιείται ένα mesh δίκτυο από ασύρματους δρομολογητές. Στο Διαδίκτυο παρατηρείται τεράστια ενεργειακή σπατάλη ηλεκτρισμού, εξαιτίας του μη αποδοτικού σχεδιασμού των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων και της δικτύωσης. Ένα μεγάλο μέρος αυτής της ενέργειας καταναλώνεται από στοιχεία του δικτύου, που υπολειτουργούν (idle). Εκτιμάται, ότι ο τηλεπικοινωνιακός εξοπλισμός των δικτύων πρόσβασης χρησιμοποιείται λιγότερο από 15%. Κατά συνέπεια μπορεί να μειωθεί κατά ένα μεγάλο ποσοστό η ενεργειακή σπατάλη μειώνοντας την ενεργειακή κατανάλωση των idle στοιχείων του δικτύου πρόσβασης και αυξάνοντας την συνολική χρησιμοποίηση των ενεργών στοιχείων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί αδρανοποιώντας τον εξοπλισμό του δικτύου, που υπολειτουργεί, χωρίς όμως να διακινδυνεύεται η συνολική απόδοση του δικτύου και η ποιότητα υπηρεσιών, που λαμβάνει ο χρήστης. Η υβριδική τοπολογία, που μελετάται, έχει μεγάλες δυνατότητες, όσον αφορά την απενεργοποίηση idle εξοπλισμού. Αυτό συμβαίνει, διότι επιτρέπει την απενεργοποίηση των οπτικών μονάδων του παθητικού οπτικού δικτύου, που έχουν χαμηλό φόρτο, και την μεταγωγή της κίνησης τους σε άλλες οπτικές μονάδες μέσω του wireless mesh δικτύου [10]. Για τον σκοπό αυτής της εργασίας αναπτύχθηκαν δύο προσομοιωτές για δύο ξεχωριστά πρότυπα με την χρήση της OMNeT++, η οποία είναι μία βιβλιοθήκη προσομοίωσης δικτύων. Αρχικά, αναπτύχθηκε ένας προσομοιωτής για το πρότυπο GPON και ένας προσομοιωτής για το πρότυπο ΙΕΕΕ , προκειμένου να ελεγχθεί η εγκυρότητα τους. Στην συνέχεια δημιουργήθηκε ένα προσομοιωτής για το υβριδικό δίκτυο πρόσβασης συνενώνοντας τους δύο προσομοιωτές και προσθέτοντας επιπλέον λειτουργικότητα. Στο επόμενο στάδιο ελέγχθηκε η απόδοση του δικτύου πρόσβασης, έτσι ώστε έπειτα να συγκριθεί με τις στρατηγικές εξοικονόμησης ενέργειας. Μετά εφαρμόστηκε ένας αλγόριθμος για εξοικονόμηση ενέργειας, ο οποίος απενεργοποιεί τις οπτικές μονάδες του παθητικού οπτικού δικτύου, που υπολειτουργούν. Τέλος, εφαρμόστηκε ένας αλγόριθμος ενεργειακής 10

11 δρομολόγησης, ο οποίος αυξάνει την αποδοτικότητα του πρώτου αλγορίθμου, βελτιώνοντας έτσι την συνολική εξοικονόμηση ενέργειας και την συνολική χρησιμοποίηση του δικτύου πρόσβασης. Προκειμένου να μελετηθούν οι δυνατότητες των στρατηγικών εξοικονόμησης ενέργειας, δημιουργήθηκαν διαφορετικά μοτίβα φόρτου. Κάποια από αυτά ευνοούν την απενεργοποίηση των οπτικών μονάδων του δικτύου, λόγω χαμηλού φόρτου και χαμηλής χρησιμοποίησης, ενώ μελετήθηκαν και περιπτώσεις, όπου η εξοικονόμηση ενέργειας δεν ήταν εφικτή για να διασφαλιστεί η σωστή λειτουργία των προτεινόμενων αλγορίθμων. 11

12 2. Παθητικά Οπτικά Δίκτυα Τα οπτικά δίκτυα αναπτύχθηκαν με σκοπό την αξιοποίηση του μεγάλου εύρους ζώνης και των ταχύτατων ρυθμών μετάδοσης που παρέχονται από την οπτική ίνα. Ανάμεσα στις διαφορετικές αρχιτεκτονικές των οπτικών δικτύων, μεγάλη εφαρμογή έχουν τα παθητικά οπτικά δίκτυα (Passive Optical Network, PON), τα οποία χρησιμοποιούνται για την μετάδοση δεδομένων από ένα σημείο προς πολλά (point-to-multipoint). Τα πρώτα σχέδια αρχιτεκτονικών FTTH (Fiber To The Home) πραγματοποιήθηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 90 από το FSAN (Full Service Access Network), το οποίο είναι μία ομάδα εργασίας αποτελούμενη από παρόχους υπηρεσιών τηλεπικοινωνιών, ανεξάρτητα εργαστήρια δοκιμών και παρόχους τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού. Το πρώτο πρότυπο παθητικών οπτικών δικτύων που δημιουργήθηκε από τo ITU-T (Telecommunication Standardization Sector of the International Telecommunications Union) είναι το APON (ATM PON), το οποίο μετέπειτα εξελίχθηκε στο πρότυπο BPON (Broadband PON). Το APON είναι βασισμένο στο ATM (Asynchronous Transfer Mode), το οποίο αποτελεί ένα πρότυπο για την μετάδοση διαφορετικών ειδών μοτίβων κίνησης (δεδομένα, βίντεο και φωνή) πάνω από το ίδιο δίκτυο. Με την προσθήκη κάποιων βελτιώσεων στο ήδη υπάρχον APON, το ITU-T δημιούργησε το ολοκληρωμένο τελικό πρότυπο (G.983), το οποίο ονομάστηκε BPON, και είναι αντίστροφα συμβατό με το APON. Το επόμενο πρότυπο του ITU-T, το GPON (Gigabit Passive Optical Network) παρουσίασε αυξημένες δυνατότητες σε σχέση με το APON και το BPON όσον αφορά το εύρος ζώνης και είναι αντίστροφα συμβατό και με τα δύο πρότυπα. Ένα εναλλακτικό πρότυπο είναι το EPON της ΙΕΕΕ (Institute of Electrical and Electronics Engineers), το οποίο παρέχει παρόμοιους ρυθμούς μετάδοσης με το GPON, αλλά έχει σχεδιαστεί μόνο για την μετάδοση Ethernet και IP πακέτων. Το μέλλον των παθητικών οπτικών δικτύων, αποτελεί το XG-PON του ITU-T, το οποίο παρέχει ρυθμό μετάδοσης μέχρι και 10 Gbit/s (gigabits per second) στην κατωφερή σύνδεση του παθητικού οπτικού δικτύου [1] [2] Πρότυπο GPON Η σειρά προτύπων G.984 της ITU-T καθορίζει τα γενικά χαρακτηριστικά του GPOΝ (G.984.1), το φυσικό επίπεδο (G.984.2), το επίπεδο μετάδοσης (G.984.3) και την διαχείριση και τον έλεγχο των οπτικών μονάδων του δικτύου (Optical Network Unit, ONU) (G.984.4). Στα πλαίσια αυτής της εργασίας γίνεται μελέτη μόνο του επιπέδου μετάδοσης για την κατασκευή ενός προσομοιωτή παθητικού οπτικού δικτύου. 12

13 Το GPON υποστηρίζει τους παρακάτω ασύμμετρους ρυθμούς μετάδοσης στην ανωφερή και στην κατωφερή σύνδεση: Gbit/s up, Gbit/s down Gbit/s up, Gbit/s down Gbit/s up, Gbit/s down Gbit/s up, Gbit/s down Gbit/s up, Gbit/s down Gbit/s up, Gbit/s down Gbit/s up, Gbit/s down 2.2. Αρχιτεκτονική Δικτύου Στην τυπική μορφή αρχιτεκτονικής ενός παθητικού οπτικού δικτύου υπάρχει ένα Optical Line Terminal (OLT) στα κεντρικά γραφεία του παρόχου του δικτύου, το οποίο συνδέεται με ένα Optical Splitter μέσω μίας γραμμής οπτικής ίνας. Το Splitter είναι μια παθητική οπτική συσκευή, η οποία διαμοιράζει το εισερχόμενο οπτικό σήμα σε Ν διαφορετικά σήματα με ισχύ 1/Ν στο καθένα. Το Splitter τοποθετείται κοντά στην περιοχή των χρηστών του δικτύου. Ο αριθμός των διαφορετικών σημάτων στον οποίο μπορεί να διαμοιραστεί το αρχικό σήμα ποικίλει από 2 ως 64, ενώ μπορεί να υποστηριχθεί και split ratio (αναλογία διαμοιρασμού) 1/128 για μελλοντική χρήση. Από το Splitter επεκτείνονται οπτικές ίνες προς τους τελικούς χρήστες, δηλαδή προς τις οπτικές μονάδες του δικτύου (ONUs). Εικόνα 2.1. Αρχιτεκτονική παθητικού οπτικού δικτύου Η μέγιστη απόσταση μεταξύ του OLT και κάθε ONU δεν πρέπει να ξεπερνά τα 60 km, όπως επίσης και η διαφορά ανάμεσα στην πιο κοντινή και στην πιο μακρινή οπτική μονάδα δεν πρέπει να ξεπερνά τα 20 km. Υπάρχει περιορισμός όσον αφορά τις αποστάσεις μεταξύ των ONUs, καθώς μεγάλες διαφορές στον χρόνο άφιξης των δεδομένων ανάμεσα στις 13

14 οπτικές μονάδες μπορεί να οδηγήσουν σε μη επιτρεπόμενες καθυστερήσεις και κατά συνέπεια κακή ποιότητα υπηρεσιών (QoS) [3]. Εικόνα 2.2. Παραλλαγές αρχιτεκτονικής παθητικού οπτικού δικτύου Μεταβάλλοντας την απόσταση των οπτικών μονάδων του δικτύου από τον χρήστη είναι δυνατόν να δημιουργηθούν παραλλαγές στην αρχιτεκτονική του παθητικού οπτικού δικτύου. Αυτές οι αρχιτεκτονικές είναι η Fiber to the Home (FTTH), η Fiber to the Building/Curb (FTTB/C) και η Fiber to the Cabinet (FTTCab). Όσο πιο κοντά βρίσκεται η οπτική μονάδα του δικτύου ή αλλιώς το οπτικό τερματικό στον χρήστη, τόσο μεγαλύτεροι ρυθμοί μετάδοσης επιτυγχάνονται, ενώ παράλληλα αυξάνεται το κόστος εγκατάστασης. Για παράδειγμα στην περίπτωση της FTTH αρχιτεκτονικής, πρέπει να θεωρηθεί ότι θα υπάρχει εσωτερικά μία ONU στο κτίριο των χρηστών. Το κόστος για την παραγωγή μιας οπτικής μονάδας είναι απαγορευτικό προς το παρόν για τέτοια χρήση, αλλά στο μέλλον με την αύξηση της παραγωγής οπτικών μονάδων είναι αναμενόμενο να αυξηθεί και ο ρυθμός μείωσης του κόστους παραγωγής [4] Οπτικές Συσκευές Το παθητικό οπτικό δίκτυο αποτελείται από το OLT (Optical Line terminal), το Optical Splitter, τις οπτικές μονάδες δικτύου (ONU) ή οπτικά τερματικά (ONT) και το οπτικό δίκτυο διανομής (Optical Distribution Network, ODN). Κατά σύμβαση η ONU θεωρείται ίδια 14

15 με το ONT, καθώς έχουν τις ίδιες λειτουργίες, απλά η απόσταση από τον χρήστη είναι αυτή που τις διαχωρίζει Optical Line Terminal (OLT) Το OLT χρησιμοποιεί πρότυπες διεπαφές (interfaces) για να ενωθεί με το υπόλοιπο δίκτυο. Από την μεριά του οπτικού δικτύου διανομής χρησιμοποιεί οπτικές διεπαφές, ενώ από την μεριά συνένωσης με το κεντρικό δίκτυο απαιτούνται άλλες διεπαφές, ανάλογα με τις υπηρεσίες που χρησιμοποιούνται. Το OLT αποτελείται από τρεις κύριες λειτουργικές μονάδες: την διεπαφή υπηρεσιών (service port interface function), την λειτουργία συνένωσης (cross-connect function), και την διεπαφή του οπτικού δικτύου διανομής (optical distribution interface). Εικόνα 2.3. Λειτουργικές μονάδες του OLT Όπως απεικονίζεται στο παραπάνω σχήμα, στην λειτουργική μονάδα του παθητικού οπτικού δικτύου εμπεριέχεται η λειτουργία της διεπαφής του οπτικού δικτύου διανομής και η συνάρτηση μετάδοσης (Transmission-Convergence function). Η συνάρτηση μετάδοσης είναι υπεύθυνη για την προσθήκη επικεφαλίδων στα πακέτα, τον τεμαχισμό των πακέτων, τον έλεγχο πρόσβασης στο μέσο, τον διαμοιρασμό του εύρους ζώνης (Bandwidth allocation), την περιγραφή των μονάδων δεδομένων του πρωτοκόλλου (Protocol Data Unit) που χρησιμοποιείται και την διαχείριση των οπτικών μονάδων (ONU). Η λειτουργική μονάδα συνένωσης παρέχει την απαιτούμενη επικοινωνία μεταξύ των λειτουργικών μονάδων του παθητικού οπτικού δικτύου και της λειτουργικής μονάδας υπηρεσιών. Η τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την συνένωση εξαρτάται από τις υπηρεσίες που χρησιμοποιούνται, έτσι 15

16 μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μέθοδος ενθυλάκωσης του GPON (GPON Encapsulation Method, GEM), το πρότυπο ATM ή και τα δύο παράλληλα. Η λειτουργική μονάδα υπηρεσιών παρέχει μετάφραση ανάμεσα στα πλαίσια που χρησιμοποιούνται από την λειτουργική μονάδα συνένωσης και τα πλαίσια των υπηρεσιών που χρησιμοποιούνται στο κεντρικό δίκτυο Optical Network Unit (ONU) Οι λειτουργικές μονάδες των οπτικών μονάδων του δικτύου είναι κυρίως ίδιες με αυτές του OLT. Εφόσον, η ONU λειτουργεί μόνο με μία διεπαφή PON, η λειτουργική μονάδα συνένωσης μπορεί να παραλειφθεί. Παρόλα αυτά, στην θέση της υπάρχει μία συνάρτηση πολύπλεξης/διαχωρισμού για να διαχειρίζεται την εισερχόμενη και την εξερχόμενη κίνηση της ONU. Παρομοίως, η συνάρτηση μετάδοσης έχει σχεδόν ίδιες λειτουργίες με αυτές του OLT και λειτουργεί με GEM, ΑΤΜ ή και τα δύο πρότυπα [3]. Εικόνα 2.4. Λειτουργικές μονάδες της ONU Optical Splitter Στο παθητικό οπτικό δίκτυο ενώνεται το OLT με μία απλή οπτική ίνα σε πολλαπλές ONUs. Αυτή η σύνδεση από ένα σημείο σε πολλά σημεία (point-to-multipoint) επιτυγχάνεται με την χρήση μιας ή περισσότερων παθητικών οπτικών συσκευών διακλάδωσης. Το οπτικό splitter είναι μία τέτοια συσκευή, η οποία έχει μία απλή είσοδο και πολλαπλές εξόδους. Τυπικά, ο αριθμός των εξόδων είναι δυνάμεις του δύο (2 n, δηλαδή 2, 4, 8, κτλ.) και η ενέργεια του σήματος διαμοιράζεται ίσα σε όλες τις εξόδους. Το οπτικό splitter είναι αμφίδρομη συσκευή, επειδή πέρα από τον διαχωρισμό του εισερχόμενου σήματος σε 16

17 περισσότερα σήματα, μπορεί να συνενώσει πολλαπλά εισερχόμενα σήματα σε ένα εξερχόμενο, για αυτό τον λόγο πολλές φορές αναφέρεται και ως splitter/coupler [1] Optical Distribution Network (ODN) Το οπτικό δίκτυο διανομής παρέχει το οπτικό μέσο μετάδοσης για την φυσική συνένωση του OLT και των ONUs. Αποτελείται από μονότροπες οπτικές ίνες και καλώδια, παθητικές οπτικές συσκευές συνένωσης και διαχωρισμού του σήματος [4] Μετάδοση Δεδομένων Η μετάδοση δεδομένων στην κατωφερή σύνδεση είναι αναμετάδοση από ένα σημείο σε πολλά σημεία (point-to-multipoint), ενώ αντίθετα η μετάδοση δεδομένων στην ανωφερή σύνδεση αποτελείται από μία σειρά διαδοχικών μεταδόσεων από σημείο σε σημείο (point-topoint) Κατωφερής σύνδεση Κατά την μετάδοση δεδομένων στην κατωφερή σύνδεση (Downstream) η κίνηση αναμεταδίδεται (broadcast) από το OLT προς όλες τις ONUs. Το OLT στέλνει ένα πλαίσιο κάθε 125 μs μέσα στο οποίο έχουν ενθυλακωθεί GEM ή ATM πλαίσια. Ο διαχωρισμός του εύρους ζώνης στο κατωφερές κανάλι λειτουργεί με TDM (Time Division Multiplexing) λογική, δηλαδή το εύρος ζώνης διαχωρίζεται σε χρονικά διαστήματα για όλες τις ONUs. Εφόσον το κατωφερές πλαίσιο (Downstream frame) αναμεταδίδεται προς όλες τις ONUs, πρέπει αυτές να επιλέξουν, ποια ενθυλακωμένα πλαίσια απευθύνονται σε αυτές και να τα αποθηκεύσουν. Επίσης, το κατωφερές πλαίσιο αποτελεί σημείο χρονικής αναφοράς για την λειτουργία του παθητικού οπτικού δικτύου, και κατά συνέπεια για την αποστολή των ανωφερών πλαισίων, που θα μεταδοθούν έπειτα. Για αυτό τον λόγο, ακόμα και αν δεν υπάρχουν δεδομένα προς αποστολή, το OLT πρέπει να στέλνει πάντα ανά 125 μs ένα πλαίσιο για λόγους συγχρονισμού Ανωφερής σύνδεση Η ανωφερής κίνηση (Upstream) μεταδίδεται βασιζόμενη στην μέθοδο πρόσβασης TDMA (Time Division Multiple Access) σύμφωνα με την οποία ανατίθενται χρονικά διαστήματα μεταβλητού μεγέθους σε κάθε ONU. Η επιλογή του μεγέθους των χρονικών διαστημάτων καθώς και ο συγχρονισμός είναι υπό τον έλεγχο του OLT. Κάθε ONU μεταδίδει στο χρονικό διάστημα, που της έχει παραχωρηθεί από το OLT. Το ανωφερές πλαίσιο (Upstream frame) αποτελείται από πολλαπλές ριπές μετάδοσης (bursts). Ανάμεσα στις μεταδόσεις μεταξύ δύο διαδοχικών ριπών παρεμβάλλονται οι χρόνοι φύλαξης (guard times), 17

18 οι οποίοι ορίζονται από το OLT ανάλογα με τις αποστάσεις και το RRT (Round Trip Time) των οπτικών μονάδων με σκοπό την αποφυγή συγκρούσεων μεταξύ των ριπών Δομή πλαισίων Δομή κατωφερούς πλαισίου Η αποστολή του κατωφερούς πλαισίου (downstream frame) διαρκεί 125 μs για όλους τους ρυθμούς μετάδοσης της κατωφερούς σύνδεσης ( Gbit/s, Gbit/s). Έτσι, το μέγεθος του πλαισίου πρέπει να είναι bytes στα Gbit/s και bytes στα Gbit/s. Το μέγεθος της επικεφαλίδας PCBd είναι το ίδιο για όλους τους ρυθμούς μετάδοσης και εξαρτάται από τον αριθμό των δομών δέσμευσης εύρους ζώνης ανά πλαίσιο (δηλαδή το μέγεθος του χάρτη κατανομής του εύρους ζώνης προς τις ONUs). Το τμήμα ATM περιέχει έναν αριθμό από πλαίσια ATM των 53 bytes, ενώ το τμήμα GEM περιέχει πλαίσια GEM μεταβλητού μεγέθους. Εικόνα 2.5. Δομή κατωφερούς πλαισίου Το Physical Control Block downstream (PCBd) περιέχει τα παρακάτω πεδία: Psync (Physical synchronization field), χρησιμεύει στο συγχρονισμό κατά την λήψη του πακέτου (4 bytes), Ident, χρησιμοποιείται ως μετρητής πλαισίων για το σύστημα κρυπτογράφησης δεδομένων (4 bytes), PLOAMd (Physical Layer Operations, Administration and Maintenance), περιέχει πληροφορίες σχετικά με τις λειτουργίες, την διαχείριση και την συντήρηση του φυσικού επιπέδου (13 bytes), BIP (Bit Interleaved Parity), περιέχει ένα byte ισοτιμίας για όλα τα bits που μεταδόθηκαν από την τελευταία λήψη του BIP πεδίου (1 bytes), PLend (Payload Length), καθορίζει το μέγεθος του χάρτη κατανομής εύρους ζώνης και επαναλαμβάνεται δύο φορές για την αποφυγή λαθών (4 bytes), 18

19 US BW Map (Upstream Bandwidth Map), περιέχει τον χάρτη κατανομής του εύρους ζώνης. Ουσιαστικά είναι ένας πίνακας μεταβλητού μεγέθους, ο οποίος περιέχει καταχωρήσεις δέσμευσης εύρους ζώνης (bandwidth allocations) των 8 bytes. Εικόνα 2.6. Δομή του Physical Control Block downstream Εικόνα 2.7. Δομή του Bandwidth allocation Ένα Bandwidth allocation πεδίο περιέχει τα παρακάτω πεδία: Alloc-ID (Allocation Identity), περιέχει έναν αριθμό ο οποίος αντιστοιχεί σε ένα πλαίσιο μετάδοσης (T-CONT) για το οποίο δεσμεύθηκε εύρος ζώνης στο ανωφερές κανάλι. Κάθε T-CONT αντιστοιχεί σε συγκεκριμένο Port-ID, δηλαδή σε συγκεκριμένη ONU. Με αυτόν τον τρόπο αντιλαμβάνεται η κάθε ONU, ότι αυτή η καταχώρηση αναφέρεται σε αυτή, και επίσης το είδος της κίνησης για την οποία παραχωρήθηκε το εύρος ζώνης (12 bits), 19

20 Flags, αυτό το πεδίο υποδεικνύει, αν πρέπει να στείλει η ONU αναφορά σχετικά με τον φόρτο της (DBA report) ή μηνύματα διαχείρισης (PLOAM) στο επόμενο ανωφερές πλαίσιο (12 bits), SStart, αυτό το πεδίο περιέχει την χρονική στιγμή (σε bytes), που πρέπει να αρχίσει να μεταδίδει η ONU στο ανωφερές κανάλι (2 bytes), SStop, αυτό το πεδίο περιέχει την χρονική στιγμή (σε bytes), που πρέπει να σταματήσει να μεταδίδει η ONU στο ανωφερές κανάλι (2 bytes), CRC (Cyclic redundancy check), περιέχει κώδικα για την ανίχνευση λαθών στην καταχώρηση (1 byte) Δομή ανωφερούς πλαισίου Το μέγεθος του ανωφερούς πλαισίου (Upstream frame) είναι το ίδιο με του κατωφερούς πλαισίου για όλους τους ρυθμούς μετάδοσης. Κάθε πλαίσιο περιέχει έναν αριθμό μεταδόσεων από μία ή περισσότερες ONUs. Ο χάρτης κατανομής του εύρους ζώνης καθορίζει αυτές τις μεταδόσεις. Κατά την διάρκεια μιας δεσμευμένης περιόδου μία ONU μπορεί να μεταδώσει από έναν ως τέσσερις τύπους επικεφαλίδων PON και δεδομένα χρηστών. Οι τέσσερις τύποι επικεφαλίδων είναι: Εικόνα 2.8. Δομή ανωφερούς πλαισίου Physical Layer Overhead upstream (PLOu), εμπεριέχεται στο ανωφερές πακέτο κάθε φορά που μία ONU έχει πρόσβαση στο μέσο, προκειμένου να προστατέψει την μετάδοση της από την μετάδοση της προηγούμενης ONU (guard time). Εφόσον η ONU κάνει δύο διαδοχικές μεταδόσεις στο ανωφερές κανάλι (π.χ. για διαφορετικά T- CONTs), μπορεί να παραλείψει την δεύτερη φορά αυτό το πεδίο. Το μέγεθος του είναι μεταβλητό ανάλογα με την απόσταση της ONU από το OLT. Physical Layer Operations, Administration and Management upstream (PLOAMu), είναι παρόμοιο με το αντίστοιχο πεδίο του κατωφερούς πλαισίου (13 bytes). Power Leveling Sequence upstream (PLSu), χρησιμοποιείται για τον έλεγχο ισχύος της ONU (120 bytes). 20

21 Dynamic Bandwidth Report upstream (DBRu), περιέχει πληροφορίες για τον φόρτο ενός T-CONT της ONU Δομή πλαισίου GEM Το πλαίσιο ενθυλάκωσης GEM (GPON Encapsulation Method) χρησιμοποιείται για την ενθυλάκωση και την αποστολή, διαφορετικού τύπου δεδομένων. Στο τμήμα GEM (GEM partition) ενός ανωφερούς ή ενός κατωφερούς πλαισίου είναι δυνατόν να περιέχονται ένα η περισσότερα πλαίσια GEM. Στόχος του πρωτοκόλλου αυτού είναι να σκιαγραφεί τα δεδομένα του χρήστη, δηλαδή τον αριθμό των τεμαχίων, την σειρά με την οποία πρέπει να ενωθούν ή το συνολικό μέγεθος αυτού, και να παρέχει την δυνατότητα ταυτοποίησης των ONUs μέσω του port-id, δηλαδή την αναγνώριση της ταυτότητας της ONU για την οποία προορίζεται ή από την οποία προέρχεται το πλαίσιο GEM. Εικόνα 2.9. Δομή πλαισίου ενθυλάκωσης GEM Το πλαίσιο ενθυλάκωσης GEM αποτελείται από τα παρακάτω πεδία: PLI (Payload Length Indicator), υποδεικνύει το καθαρό μέγεθος του πλαισίου σε bytes, δηλαδή χωρίς να συνυπολογίζεται η επικεφαλίδα. Το PLI χρησιμοποιείται για να εντοπιστεί η επόμενη επικεφαλίδα στο τμήμα GEM. Η μέγιστη τιμή που μπορεί να λάβει αυτό το πεδίο είναι 4095, οπότε δεν μπορούν να σταλούν τεμάχια με μεγαλύτερο μέγεθος (12 bits). Port-ID, περιέχει τις διευθύνσεις των ONUs και η μέγιστη τιμή που μπορεί να έχει είναι 4095, κατά συνέπεια μπορεί να εξυπηρετήσει 4096 διαφορετικές διευθύνσεις οπτικών μονάδων (12 bits). PTI (Payload Type Indicator), χρησιμοποιείται για να περιγράψει το περιεχόμενο του πλαισίου, δηλαδή αναφέρει, αν είναι το τελευταίο τεμάχιο ή αν υπάρχει πιθανή συμφόρηση. HEC (Header Error Control), προσφέρει κώδικα ανίχνευσης και διόρθωσης για τα bytes της επικεφαλίδα του πλαισίου. Fragment payload, περιέχει τα δεδομένα του χρήστη. 21

22 2.6. Μηχανισμός εντοπισμού και διόρθωσης λαθών Το GPON χρησιμοποιεί το Forward Error Correction (FEC), το οποίο είναι μία μαθηματική τεχνική επεξεργασίας του σήματος, η οποία κωδικοποιεί τα δεδομένα με τέτοιο τρόπο, ώστε να είναι εφικτή η εύρεση λαθών στα ληφθέντα bits και η διόρθωση τους. Το ποσό της πλεονάζουσας πληροφορίας που απαιτείται είναι αρκετά μικρό, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει σημαντική επιβάρυνση (overhead). Παρόλα αυτά, αν είναι επιθυμητό μπορεί κάποια ONU να μην χρησιμοποιεί το FEC στην ανταλλαγή δεδομένων με το OLT. Εικόνα Μηχανισμός εντοπισμού και διόρθωσης λαθών Σύμφωνα με το FEC, μετά την δημιουργία του κατωφερούς πλαισίου, αυτό χωρίζεται σε κωδικούς-λέξεις (codeword) κάθε μία από τις οποίες έχει μέγεθος 239 bytes. Οπότε, η επικεφαλίδα PCBd ανήκει στο πρώτο codeword. Για κάθε codeword των 239 bytes εισάγονται στο τέλος του 16 bytes ισοτιμίας (parity) για την ανίχνευση και την διόρθωση λαθών. Άρα, δημιουργούνται codeword των 255 bytes. Στην περίπτωση που το τελευταίο codeword είναι μικρότερο από 239 bytes, προστίθενται όσα μηδενικά απαιτούνται για να φτάσει το κατάλληλο μέγεθος και να υπολογιστούν τα bytes ισοτιμίας. Όταν υπολογιστούν τα parity bytes, τα επιπλέον μηδενικά που προστέθηκαν αφαιρούνται, ενώ αντίστοιχα προστίθενται πάλι από τον παραλήπτη, έτσι ώστε να συγκρίνει τα παραγόμενα parity bytes Ποιότητα υπηρεσιών (QoS) Το GPON χρησιμοποιεί τα πλαίσια μετάδοσης (Transmission Containers, T-CONTs) για την διαχείριση του διαμοιρασμού του ανωφερούς εύρους ζώνης (Upstream bandwidth) με κύριο στόχο την βελτίωση της χρησιμοποίησης του. Επίσης, τα πλαίσια μετάδοσης αποτελούν μηχανισμό παροχής ποιότητας υπηρεσιών (Quality of Service) για το ανωφερές κανάλι. Υπάρχουν πέντε διαφορετικοί τύποι πλαισίων μετάδοσης. Το T-CONT 1 παρέχει σταθερό εύρος ζώνης για ευαίσθητες χρονικά εφαρμογές όπως τα HDTV (High Definition TV) streams. Το T-CONT 2 παρέχει σταθερό εύρος ζώνης για ανεκτικές χρονικά εφαρμογές, όπως το Voice over IP (VoIP). Το T-CONT 3 είναι ένα μίγμα ελάχιστου σταθερού εγγυημένου εύρους ζώνης συν επιπρόσθετου μη-εγγυημένου για εφαρμογές όπως τα Video on Demand. Το T-CONT 4 λειτουργεί ως best effort υπηρεσία παρέχοντας μη-εγγυημένο 22

23 εύρος ζώνης δυναμικά για την πλοήγηση σε ιστοσελίδες ή το διαμοιρασμό αρχείων. Τέλος, το T-CONT 5 είναι ένας συνδυασμός όλων των παραπάνω κατηγοριών για εφαρμογές όπως το online gaming [2] Δυναμική δέσμευση εύρους ζώνης (DBA) Η δυναμική δέσμευση εύρους ζώνης (Dynamic Bandwidth Allocation, DBA) είναι μία τεχνική, η οποία επιτρέπει την γρήγορη προσαρμογή του διαμοιραζόμενου εύρους ζώνης ανάλογα με τις παρούσες απαιτήσεις του χρήστη σε εύρος. Ο DBA ελέγχεται από το OLT, το οποίο δεσμεύει ποσότητες εύρους ζώνης για τις ONUs βάσει των αναφορών, που λαμβάνει από αυτές. Αυτή η τεχνική λειτουργεί μόνο στην ανωφερή σύνδεση. Ο χάρτης κατανομής του εύρους ζώνης μεταδίδεται από το OLT σε όλες τις ONUs μέσα στο κατωφερές πλαίσιο (Downstream frame) κάθε 125 μs. Επίσης, σε κάθε κατωφερές πλαίσιο το OLT ενημερώνει τις ONUs, αν πρέπει να αποστείλουν τις αναφορές τους σχετικά με τον φόρτο τους. Ο χάρτης κατανομής του εύρους ζώνης ανανεώνεται σε τακτικά χρονικά διαστήματα από τον DBA αλγόριθμο ανάλογα με τον φόρτο του δικτύου. Εικόνα Αλγόριθμος δυναμικής δέσμευσης εύρους ζώνης Η απόδοση των παθητικών οπτικών δικτύων στην μετάδοση κίνησης στο ανωφερές κανάλι εξαρτάται σε πολύ μεγάλο βαθμό από τον αλγόριθμο δυναμικής δέσμευσης εύρους ζώνης που χρησιμοποιείται. Σημαντικό ρόλο στην απόδοση ενός DBA αλγορίθμου διαδραματίζει το μέγεθος του κύκλου βολιδοσκόπησης (Polling cycle). Ο κύκλος βολιδοσκόπησης είναι το χρονικό διάστημα κατά την διάρκεια του οποίου το OLT δέχεται τις αιτήσεις εύρους ζώνης από τις ONUs, υπολογίζει βάσει αυτών και της πολιτικής που 23

24 ακολουθεί τους χρόνους για τους οποίους δεσμεύει το ανωφερές κανάλι για κάθε ONU, και ενημερώνει τις ONUs [5] Ασφάλεια Ο βασικός τρόπος λειτουργίας του GPON, όσον αφορά την μετάδοση δεδομένων στο κατωφερές κανάλι, δημιουργεί ένα τεράστιο κενό ασφαλείας, καθώς οποιοσδήποτε κακόβουλος χρήστης θα μπορούσε να προγραμματίσει την ONU στην οποία είναι συνδεμένος, έτσι ώστε να μπορεί να λαμβάνει τα πλαίσια, που προορίζονται για όλες τις ONU, που είναι συνδεδεμένες πάνω στο συγκεκριμένο OLT. Στην ανωφερή σύνδεση δεν υπάρχει το ίδιο πρόβλημα, καθώς το GPON χρησιμοποιεί από σημείο σε σημείο (point-topoint) συνδέσεις παρέχοντας μεγαλύτερη ασφάλεια. Για αυτό τον λόγο χρησιμοποιείται ένας μηχανισμός ασφάλειας, ο οποίος διασφαλίζει, ότι οι χρήστες έχουν πρόσβαση μόνο στα δεδομένα τα οποία προορίζονται για αυτούς. Ο αλγόριθμος κρυπτογράφησης που χρησιμοποιείται είναι ο AES (Advanced Encryption Standard). Ο AES δέχεται κλειδιά μήκους 128, 192 και 256 bytes, γεγονός το οποίο ενδυναμώνει την ασφάλεια της κρυπτογράφησης. Προκειμένου να αυξηθεί παραπάνω η ασφάλεια, αυτό το κλειδί μπορεί να αλλάζει περιοδικά χωρίς να επηρεάζει την ροή των δεδομένων Δημιουργία προσομοιωτή Για τον σκοπό αυτής της εργασίας δημιουργήθηκε ένας προσομοιωτής του προτύπου GPON με την χρήση της OMNeT++. Δόθηκε έμφαση στο επίπεδο μετάδοσης του προτύπου, ενώ παράλληλα υλοποιήθηκαν και κάποιες απαραίτητες λειτουργίες - συναρτήσεις του φυσικού επιπέδου. Δημιουργήθηκαν κλάσεις για την προσομοίωση των οπτικών συσκευών του δικτύου, δηλαδή για το OLT, την ONU και το splitter. Το οπτικό δίκτυο διανομής (ODN) υλοποιήθηκε με την χρήση συναρτήσεων της βιβλιοθήκης cchannel της OMNeT Τοπολογία του δικτύου Ο προσομοιωτής που δημιουργήθηκε μπορεί να υποστηρίξει, οποιαδήποτε τοπολογία με ένα OLT, ένα Optical Splitter και πολλαπλές ONUs. Οι συνδέσεις μεταξύ των οντοτήτων του δικτύου είναι οι παρακάτω: Μία κατωφερής σύνδεση στα Gbit/s με κατεύθυνση από το OLT προς το Optical Splitter. Μία ανωφερής σύνδεση στα Gbit/s με κατεύθυνση από το Optical Splitter προς το OLT. 24

25 Μία κατωφερής σύνδεση στα Gbit/s με κατεύθυνση από το Optical Splitter προς κάθε ONU. Μία ανωφερής σύνδεση στα Gbit/s με κατεύθυνση από κάθε ONU προς το Optical Splitter. Εικόνα Τοπολογία του δικτύου (περιέχει ένα OLT, ένα splitter και τέσσερις ONUs) Optical Line Terminal (OLT) Η κλάση που δημιουργήθηκε για το OLT περιέχει συναρτήσεις, που υλοποιούν σημαντικές λειτουργίες του επιπέδου μετάδοσης (Transmission - Convergence Layer). Δημιουργήθηκε η συνάρτηση framing_sublayer(), η οποία είναι υπεύθυνη για την δημιουργία των πακέτων και την προσθήκη των επικεφαλίδων στο κατωφερές πλαίσιο, όπως το PCBd και πληροφορίες σχετικά με την κατανομή του εύρους ζώνης. Παράλληλα, η συνάρτηση framing_sublayer() κατά την λήψη πακέτων από το ανωφερές κανάλι φροντίζει για την αφαίρεση των αντίστοιχων επικεφαλίδων και για την συλλογή πληροφοριών, όπως οι αναφορές φόρτου ή τα μηνύματα διαχείρισης. Επίσης, υλοποιήθηκε η συνάρτηση service_adaptation_sublayer(), η οποία είναι υπεύθυνη για τον τεμαχισμό των πακέτων και την ενθυλάκωση των πακέτων σύμφωνα με την μέθοδο ενθυλάκωσης του GPON. Η ίδια συνάρτηση είναι υπεύθυνη για την συνένωση των τεμαχίων που προέρχονται από το ανωφερές κανάλι με την σωστή σειρά και την αποθήκευση αυτών σε έναν buffer. Επίσης, δημιουργήθηκε η συνάρτηση DBA(), η οποία επιτρέπει την δυναμική δέσμευση εύρους ζώνης στο ανωφερές κανάλι ανάλογα με τις αναφορές φόρτου, που λαμβάνονται από τις ONUs. Τέλος, υπάρχει συνάρτηση παραγωγής πακέτων, η οποία δημιουργεί πακέτα μεταβλητού μεγέθους με το μέγεθος να ακολουθεί την ομοιόμορφη κατανομή. Τα πακέτα παράγονται ανά μεταβλητά χρονικά διαστήματα, τα οποία ακολουθούν την εκθετική 25

26 κατανομή, κατά συνέπεια η παραγωγή των πακέτων ακολουθεί την κατανομή Poisson. Η επιλογή της ONU για την οποία προορίζονται τα πακέτα ακολουθεί την ομοιόμορφη κατανομή Optical Network Unit (ONU) Η κλάση που δημιουργήθηκε για την ONU έχει τις ίδιες συναρτήσεις με αυτές του OLT. Η κύρια διαφορά είναι, ότι δεν υπάρχει συνάρτηση δέσμευσης του εύρους ζώνης, παρά μόνο συνάρτηση για την αναφορά του φόρτου της οπτικής μονάδας. Η αντίστοιχη συνάρτηση παραγωγής πακέτων ακολουθεί επίσης χρονικά την κατανομή Poisson και το μέγεθος του πακέτου βασίζεται στην ομοιόμορφη κατανομή Optical Splitter Η κλάση του Optical Splitter υλοποιεί λειτουργίες φυσικού επιπέδου, καθώς φροντίζει να προωθεί το κατωφερές πλαίσιο που λαμβάνει από το OLT, προς όλες τις ONUs του δικτύου. Αντίστοιχα, φροντίζει να μετάγει την ανωφερή σύνδεση από κάθε ONU προς το OLT Αποτελέσματα προσομοιωτή Οι προσομοιώσεις αφορούν ένα δίκτυο GPON που αποτελείται από ένα OLT και τέσσερις ONUs. Η ταχύτητα στην κατωφερή σύνδεση είναι Gbps, ενώ στην ανωφερή σύνδεση είναι Mbps. Στην κατωφερή σύνδεση τα πακέτα γίνονται broadcast προς όλες τις ONUs, ενώ στην ανωφερή σύνδεση το κοινό κανάλι, δηλαδή από το splitter μέχρι το OLT, διανέμεται στις εκπομπές ριπής της κάθε ONU χωρίς αυτές να επικαλύπτονται. Στην συγκεκριμένη προσομοίωση η ανωφερής σύνδεση διανέμεται ίσα σε όλες τις ONUs, καθώς παράγεται ίσος φόρτος από κάθε οπτική μονάδα. Η κάθε προσομοίωση έτρεξε για 10 λεπτά χρόνου προσομοίωσης, δηλαδή για downstream frames, καθώς τα πλαίσια στο GPON είναι σταθερά (125μs). Παραγωγή πακέτων γίνεται στο OLT, το οποίο τα αποθηκεύει σε έναν buffer χωρητικότητας 100 πακέτων, προκειμένου να τα στείλει στο downstream κανάλι. Επίσης, πακέτα παράγονται σε κάθε ONU και αποθηκεύονται σε έναν buffer χωρητικότητας 50 πακέτων, προκειμένου να σταλούν στο OLT μέσω του upstream καναλιού. Τα πακέτα που παράγονται στο OLT, ακολουθούν ομοιόμορφη κατανομή και έχουν μέσο μέγεθος bytes. Όμοια, τα πακέτα που παράγονται στις ONUs ακολουθούν ομοιόμορφη κατανομή με μέσο μέγεθος 5000 bytes. Οι χρόνοι μεταξύ των αφίξεων των πακέτων ακολουθούν την εκθετική κατανομή. 26

27 Έλεγχος της απόδοσης του OLT Στο διάγραμμα φαίνεται η σχέση ανάμεσα στον φόρτο (Load) του δικτύου και στην ρυθμοαπόδοση (Throughput). Ο φόρτος σχετίζεται με τον αριθμό των πακέτων που παράγονται στον κόμβο προκειμένου να αποσταλούν. Όσο πιο συχνές είναι οι αφίξεις των πακέτων και όσο πιο μεγάλο είναι το μέγεθος των πακέτων, τόσο μεγαλύτερος είναι ο φόρτος. Στην συγκεκριμένη περίπτωση ο φόρτος είναι ένα ποσοστό, το οποίο δείχνει τον λόγο των προσφερόμενων bytes που κατέφθασαν στο κόμβο (με τις αφίξεις των πακέτων) ανά δευτερόλεπτο ως προς τα bytes, τα οποία μπορεί να εξυπηρετήσει το δίκτυο ανά δευτερόλεπτο. Η ρυθμοαπόδοση είναι ένα ποσοστό, το οποίο εκφράζει τον λόγο των συνολικών καθαρών δεδομένων χωρίς τις επικεφαλίδες, που στάλθηκαν από τον κόμβο ανά δευτερόλεπτο ως προς τα συνολικά δεδομένα, που μπορεί να αποστείλει ο κόμβος (συμπεριλαμβάνοντας τις επικεφαλίδες) ανά δευτερόλεπτο. Διάγραμμα Ρυθμοαπόδοση ως προς τον φόρτο του δικτύου. Η ρυθμοαπόδοση αυξάνεται παράλληλα με τον φόρτο μέχρι το 0.93, όπου και υπάρχει κορεσμός, καθώς το κανάλι δεν μπορεί να υποστηρίξει μεγαλύτερους ρυθμούς αποστολής δεδομένων. Όσο και αν αυξηθεί ο φόρτος, η ρυθμοαπόδοση παραμένει σταθερή στην τιμή Αυτή η τιμή προκύπτει από το γεγονός, ότι υπάρχει επιβάρυνση (overhead) στην επικοινωνία. Έτσι, με ταχύτητα Gbps το κάθε downstream frame (ανά 125μs) έχει μέγεθος bytes. Από αυτά τα 1232 bytes χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό και τη διόρθωση λαθών στα δεδομένα (FEC Forward Error Correction). Επίσης, 30 bytes 27

28 χρησιμοποιούνται για το PCBd (Physical Control Block downstream), ενώ για το bandwidth map (Dynamic Bandwidth Allocation) χρησιμοποιούνται 8 bytes για κάθε ONU. Τέλος, στο GEM partition συνήθως χωράνε περίπου 5 πακέτα, άρα κατά μέσο όρο χρειάζονται 5*5 = 25 bytes, για τα GEM headers. Άρα, από τα διαθέσιμα bytes ανά 125 μs το μέγιστο ωφέλιμο εύρος ζώνης, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μετάδοση δεδομένων είναι 18121, δηλαδή το 93% της συνολικής χωρητικότητας του καναλιού. Στο διάγραμμα παρουσιάζεται το Latency, δηλαδή ο μέσος χρόνος, που απαιτείται από την δημιουργία του πακέτου και την αποθήκευση του στην ουρά, μέχρι την στιγμή που θα αποσταλεί το πρώτο του bit, ως προς τον φόρτο του δικτύου. Το Latency παραμένει σε χαμηλά επίπεδα, δηλαδή λιγότερο από 1ms, όταν ο φόρτος κινείται σε χαμηλά η κανονικά επίπεδα. Όταν ο φόρτος ξεπεράσει το 80%, παρατηρείται κατακόρυφη αύξηση του Latency, και αυτό συμβαίνει, γιατί τα πακέτα δημιουργούνται πάρα πολύ γρήγορα στο OLT και συσσωρεύονται στην ουρά του περιμένοντας μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα για την εξυπηρέτηση τους. Αυτή η αύξηση περιορίζεται μετά από ένα σημείο και αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο buffer γεμίζει, άρα τα υπόλοιπα πακέτα, που θα δημιουργηθούν, απορρίπτονται (drop) μέχρι να χωράνε ξανά νέα πακέτα. Διάγραμμα Μέση καθυστέρηση μετάδοσης του πρώτου bit ως προς τον φόρτο Έλεγχος της απόδοσης της ONU Στο διάγραμμα φαίνεται η σχέση μεταξύ ρυθμοαπόδοσης και φόρτου. Επειδή, σε όλες τις ONUs παρέχεται ο ίδιος φόρτος και η ίδια χωρητικότητα στο ανωφερές κανάλι, 28

29 δηλαδή όλες οι οπτικές μονάδες δεσμεύουν ισόποσα κομμάτια του ανωφερούς εύρους ζώνης και στέλνουν ίδια ποσότητα δεδομένων προς το OLT, η ρυθμοαπόδοση όλων είναι ίδια. Κατά συνέπεια τα αποτελέσματα τους αλληλεπικαλύπτονται. Η ανώτερη τιμή που λαμβάνει η ρυθμοαπόδοση είναι Η ταχύτητα του καναλιού είναι Mbps, άρα ανά 125μs μπορούν να σταλθούν 2430 bytes. Αυτά τα 2430 bytes μοιράζονται στις 4 ONUs, δηλαδή αντιστοιχούν bytes στην καθεμία. Από αυτά τα 607.5, τα 48 bytes χρησιμοποιούνται για FEC, 10 bytes για guard times μεταξύ των ανωφερών ριπών, 4 bytes για τα Dynamic Bandwidth Reports και τέλος 10 bytes κατά μέσο όρο για τα GEM headers, άρα απομένουν bytes. Δηλαδή μόνο το 88% της χωρητικότητας του καναλιού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποστολή δεδομένων. Διάγραμμα Ρυθμοαπόδοση ως προς τον φόρτο του δικτύου. Στο διάγραμμα παρουσιάζεται το Latency ως προς τον φόρτο. Όμοια με την περίπτωση του OLT, το Latency παραμένει σε χαμηλά επίπεδα, δηλαδή λιγότερο από 10ms, όταν ο φόρτος κινείται σε χαμηλά ή κανονικά επίπεδα. Όταν ο φόρτος ξεπεράσει το 80% παρατηρείται κατακόρυφη αύξηση του Latency και αυτό συμβαίνει, γιατί τα πακέτα δημιουργούνται πάρα πολύ γρήγορα σε κάθε ONU, με αποτέλεσμα να συσσωρεύονται στην ουρά της περιμένοντας μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα για την εξυπηρέτηση τους. Αυτή η αύξηση περιορίζεται μετά από κάποιο σημείο και αυτό οφείλεται, στο ότι, όταν γεμίσει ο buffer, τα υπόλοιπα πακέτα που θα δημιουργηθούν απορρίπτονται (drop), μέχρι να αδειάσει τουλάχιστον μία θέση σε αυτόν. Όπως προαναφέρθηκε, το εύρος ζώνης που δεσμεύεται και ο 29

30 φόρτος που παράγεται είναι ίσος για κάθε ONU. Για αυτό τον λόγο παρατηρούνται ίδιες τιμές του Latency σε κάθε ONU και τα αποτελέσματα τους αλληλεπικαλύπτονται στο διάγραμμα. Διάγραμμα Μέση καθυστέρηση μετάδοσης του πρώτου bit ως προς τον φόρτο. Τέλος, το Latency στην περίπτωση των ONUs είναι τουλάχιστον δεκαπλάσιο από αυτό του OLT. Αυτό συμβαίνει, γιατί το OLT έχει μεγαλύτερο ρυθμό μετάδοσης σε σχέση με τις οπτικές μονάδες ( Gbit/s Gbit/s) και επίσης, το ανωφερές εύρος ζώνης μοιράζεται ανάμεσα σε τέσσερις ONUs. Άρα, λόγω του μικρότερου εύρου ζώνης η κάθε ONU εξυπηρετεί πιο αργά τα παραγόμενα πακέτα σε σχέση με το OLT, και κατά συνέπεια εμφανίζει μεγαλύτερο Latency από αυτό. 30

31 3. Ασύρματα Δίκτυα Η ασύρματη δικτύωση παρέχει μικρότερους ρυθμούς μετάδοσης και εύρος ζώνης σε σχέση με τα οπτικά δίκτυα, λόγω της μεταβλητότητας και του υψηλού bit error rate (πιθανότητα εσφαλμένης λήψης κάποιου bit) του μέσου μετάδοσης. Παρόλα αυτά, οι ασύρματες επικοινωνίες παρέχουν φορητότητα, ευκολία στην διασύνδεση των τερματικών κόμβων του δικτύου και εμφανίζουν μικρότερο κόστος σε σχέση με τα ενσύρματα δίκτυα. Το κύριο πρότυπο για τις ασύρματες επικοινωνίες είναι το του IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), του οποίου ο σχεδιασμός ξεκίνησε το 1985 κάτω από τους κανόνες της Ομοσπονδιακής Επιτροπής Επικοινωνιών των ΗΠΑ. Το 1991 η NCR Corporation/AT&T εφηύρε τον πρόδρομο του ΙΕΕΕ στην Ολλανδία με σκοπό να χρησιμοποιήσουν αυτή την τεχνολογία για ταμιακά συστήματα. Το πρώτο ασύρματο προϊόν το οποίο βγήκε στην αγορά ήταν το WaveLAN, το οποίο προσέφερε ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων 1 Μbps και 2 Μbps. Η αυθεντική έκδοση του ΙΕΕΕ εκδόθηκε το 1997 και ολοκληρώθηκε το Μετά την έκδοση του αρχικού πρωτοκόλλου αναπτύχθηκαν αρκετές διαφορετικές εκδόσεις με βελτιώσεις και επιπλέον λειτουργίες: a: Σε αυτή την έκδοση βελτιώθηκε η λειτουργία του φυσικού επιπέδου. Τα πλεονεκτήματα αυτής της έκδοσης είναι η αυξημένη αντοχή στις παρεμβολές και οι υψηλότεροι ρυθμοί μετάδοσης b: Αυτή η έκδοση αφορούσε επίσης μόνο το φυσικό επίπεδο. Η έκδοση b επιτυγχάνει υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης με την χρήση της τεχνικής συμπληρωματικής μεταλλαγής κωδικών (Complementary Code Keying, CCK) g: Σε αυτή την έκδοση επιβάλλεται η υποχρεωτική χρήση της ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) με σκοπό να επιτυγχάνονται ταχύτητες ως 54 Mpbs. Επίσης, επιδιώχθηκε συμβατότητα με προηγούμενες εκδόσεις του πρωτοκόλλου (802.11b), προκειμένου να υποστηρίζεται και η τεχνική διαμόρφωσης σήματος CCK n: Πρόκειται για μια από τις πιο σημαντικές εκδόσεις, καθώς βελτιώνει τις προηγούμενες εκδόσεις προσθέτοντας την δυνατότητα χρήσης πολλαπλών κεραιών (ΜΙΜΟ antennas, Multiple Input Multiple Output) σε κάθε σταθμό, προκειμένου να αυξηθεί η απόδοση των ασύρματων δικτύων. Ένα εναλλακτικό πρότυπο για ασύρματες μεταδόσεις είναι το hiperlan, του οποίου ο σχεδιασμός ξεκίνησε το 1991 από το ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Το HiperLAN αναπτύχθηκε μετά το ΙΕΕΕ με σκοπό να επιτύχει 31

32 μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων από αυτό. Το πρότυπο αυτό εγκρίθηκε το 1996 [9] Υποστηριζόμενες τοπολογίες Το πρότυπο ΙΕΕΕ ορίζει δύο διαφορετικές υποστηριζόμενες τοπολογίες, τα δίκτυα υποδομής και τα αδόμητα δίκτυα. Η βασική λειτουργική μονάδα ενός δικτύου σύμφωνα με το ΙΕΕΕ είναι το BSS (Basic Service Set). Το BSS ορίζεται ως μια ομάδα από σταθμούς (κυψέλη), οι οποίοι λειτουργούν κάτω από την καθοδήγηση μιας διαδικασίας συντονισμού (DCF ή PCF). Η γεωγραφική περιοχή, η οποία καλύπτεται από το BSS αναφέρεται ως BSA (Basic Service Area) και είναι ανάλογη με μία κυψέλη σε ένα κυψελικό δίκτυο επικοινωνιών. Ουσιαστικά, όλοι οι σταθμοί μπορούν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους, εφόσον βρίσκονται μέσα στο ίδιο BSS [6] Αδόμητο Δίκτυο (ad-hoc network) Τα αδόμητα δίκτυα ομαδοποιούν τους ασύρματους σταθμούς του δικτύου σε ένα ανεξάρτητο BSS (independent BSS,IBSS) με σκοπό την ασύρματη επικοινωνία μεταξύ αυτών χωρίς την χρήση κάποιου κεντρικού σημείου πρόσβασης (Access Point), το οποίο θα συντονίζει την επικοινωνία. Τα αδόμητα δίκτυα χρησιμοποιούνται κυρίως για την προσωρινή επικοινωνία μεταξύ σταθμών, καθώς δεν χρειάζεται κανένα είδος υποδομής δικτύωσης προκειμένου να λειτουργήσουν. Εικόνα 3.1. Τοπολογία αδόμητων δικτύων ομαδοποιημένα σε BSS. Το μόνο που απαιτείται είναι η χρήση ενός κοινού πρωτοκόλλου, προκειμένου να συγχρονιστεί η επικοινωνία μεταξύ των σταθμών και να αποφευχθούν οι συγκρούσεις κατά την μετάδοση των δεδομένων. Το γεγονός ότι δεν υπάρχει κεντρική μονάδα συντονισμού της 32

33 επικοινωνίας σε ένα αδόμητο δίκτυο, οδηγεί στην χρήση αποκεντρωμένων πρωτοκόλλων επικοινωνίας MAC. Το πρωτόκολλο, που χρησιμοποιείται για αυτό τον σκοπό είναι το CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), ή αλλιώς πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος σήματος και αποφυγή συγκρούσεων. Χαρακτηριστικό στοιχείο αυτής της τοπολογίας είναι η μεταβλητότητα, καθώς εξαιτίας της κινητικότητας των σταθμών υπάρχει η περίπτωση δύο κόμβοι να βρεθούν προσωρινά εκτός εμβέλειας μετάδοσης [7] Δίκτυο υποδομής (infrastructure network) Σε αντίθεση με τα αδόμητα δίκτυα, σκοπός των δικτύων υποδομής είναι να παρέχουν στους ασύρματους χρήστες πρόσθετες υπηρεσίες και μεγαλύτερη εμβέλεια. Σύμφωνα με το IEEE για να εδραιωθεί ένα δίκτυο υποδομής απαιτείται ένα σημείο πρόσβασης (Access Point, AP). Το σημείο πρόσβασης είναι ανάλογο με τον σταθμό βάσης σε ένα κυψελικό δίκτυο επικοινωνιών. Με την χρήση του σημείου πρόσβασης η πολυπλοκότητα υλοποίησης του δικτύου και συντονισμού του δικτύου μετατοπίζεται από τους απλούς ασύρματους κόμβους στο σημείο πρόσβασης. Όλη η επικοινωνία και η διαχείριση του εύρους ζώνης του ασύρματου καναλιού γίνεται μέσω του σημείου πρόσβασης. Σε τέτοιου είδους τοπολογίες χρησιμοποιούνται συγκεντρωτικά πρωτόκολλα MAC, όπως για παράδειγμα η μέθοδος πρόσβασης με βολιδοσκόπηση (polling), κατά την οποία το σημείο πρόσβασης στέλνει σε τακτά χρονικά διαστήματα μηνύματα στους σταθμούς εντός BSS για να ελέγξει, αν κάποιος σταθμός επιθυμεί να μεταδώσει. Εικόνα 3.2. Ομαδοποίηση BSS σε ESS με την χρήση συστήματος κατανομής. 33

34 Σε μια άλλη εκδοχή των δικτύων υποδομής υπάρχει ένα δίκτυο κορμού (backbone network), το οποίο είναι συνήθως ενσύρματο, προσφέροντας μεγαλύτερες ταχύτητες, ενώ επίσης παρέχει και μεγαλύτερη εμβέλεια. Το σημείο πρόσβασης του κάθε BSS συνδέεται με το δίκτυο κορμού, έτσι ώστε οι ασύρματοι κόμβοι εντός ενός BSS να μπορούν να επικοινωνήσουν με κόμβους εντός άλλων BSS. Πρόκειται για δικτυακή συνένωση πολλών BSS, τα οποία αποτελούν πλέον ένα εκτεταμένο δίκτυο, το οποίο ονομάζεται ESS (Extended Service Set). Το ESS γίνεται αντιληπτό ως ένα μεγάλης έκτασης BSS από το επίπεδο ελέγχου λογικών συνδέσεων. Η σύνδεση μεταξύ πολλαπλών BSS μέσα σε ένα ESS επιτυγχάνεται μέσω ενός συστήματος κατανομής (Distribution System,DS), του οποίου η υλοποίηση είναι ανεξάρτητη του ΙΕΕΕ Οπότε, το σύστημα κατανομής μπορεί να είναι για παράδειγμα ένα δίκτυο κορμού, το οποίο υλοποιήθηκε είτε με ενσύρματο Ethernet τοπικό δίκτυο (ΙΕΕΕ 802.3), είτε με τοπολογία διαύλου με κουπόνι (token) (ΙΕΕΕ 802.4), είτε πρόκειται για κάποιο μητροπολιτικό δίκτυο (Metropolitan Area Network,MAN) οπτικής ίνας. Εικόνα 3.3. Προσθήκη διαδικτυακής πύλης (Portal) στο σύστημα κατανομής. Το ESS μπορεί επίσης να προσφέρει στους ασύρματους χρήστες πρόσβαση στο Διαδίκτυο (Internet) μέσω μιας πύλης (Portal). Η πύλη είναι μια λογική οντότητα, η οποία καθορίζει το σημείο ενσωμάτωσης μέσα στο κατανεμημένο σύστημα. Με την χρήση της διαδικτυακής πύλης μπορεί ένα δίκτυο, που βασίζεται στο πρότυπο ΙΕΕΕ , να επικοινωνεί με ένα άλλο δίκτυο, το οποίο δεν χρησιμοποιεί το ίδιο πρωτόκολλο. Αν το σημείο ενσωμάτωσης επικοινωνεί με ένα δίκτυο διαφορετικού πρωτοκόλλου, τότε πρέπει η πύλη να ενσωματώνει συναρτήσεις, που λειτουργούν σαν γέφυρα επικοινωνίας μεταξύ των δύο διαφορετικών δικτύων. Για παράδειγμα πρέπει να παρέχει λειτουργίες μετάφρασης 34

35 ανάμεσα στις διαφορετικές μορφοποιήσεις (format) των πλαισίων (frames) που μεταδίδονται [8] Φυσικό επίπεδο Σύμφωνα με το ΙΕΕΕ καθορίζονται ένα σύνολο από διαφορετικές υλοποιήσεις του φυσικού επιπέδου. Κάθε υλοποίηση του φυσικού επιπέδου (PHY) αποτελείται από μία συνάρτηση σύγκλισης (PHY convergence function), η οποία προσαρμόζει τις ικανότητες του συστήματος PMD (Physical Medium Dependent), το οποίο καθορίζει τις λεπτομέρειες αποστολής και λήψης ατομικών bits στο φυσικό μέσο, στις υπηρεσίες του φυσικού επιπέδου. Αυτή η συνάρτηση βασίζεται στο PLCP πρωτόκολλο (Physical Layer Convergence Protocol), το οποίο καθορίζει μια μέθοδο χαρτογράφησης των MPDUs (MAC layer protocol data units) του ΙΕΕΕ στην κατάλληλη μορφοποίηση (format) για την μετάδοση των δεδομένων του χρήστη και των πληροφοριών διαχείρισης, μεταξύ δύο ή περισσότερων σταθμών, που χρησιμοποιούν το συγκεκριμένο σύστημα PMD. Οι λειτουργίες ενός συστήματος PMD καθορίζουν τα χαρακτηριστικά και τις μεθόδους εκπομπής και λήψης δεδομένων μέσω του ασύρματου μέσου ανάμεσα σε δύο ή περισσότερους σταθμούς. Κάθε PMD υποεπίπεδο απαιτεί τον καθορισμό ξεχωριστού PLCP πρωτοκόλλου. Αν το υποεπίπεδο PMD παρέχει ήδη τις καθορισμένες υπηρεσίες φυσικού επιπέδου, η συνάρτηση σύγκλισης δεν θεωρείται πλέον απαραίτητη Φυσικό επίπεδο υπερύθρων (IR) Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα που χρησιμοποιούν υπέρυθρη μετάδοση (Infrared, IR) λειτουργούν σε μήκη κύματος κοντά στα 850 nm, επειδή σε αυτή την ζώνη μηκών κύματος η κατασκευή συσκευών αποστολής - λήψης δεδομένων είναι φθηνότερη και ο αέρας προκαλεί την μικρότερη εξασθένιση στο σήμα. Το υπέρυθρο σήμα παράγεται, είτε από διόδους ημιαγωγών λέιζερ ή από διόδους εκπομπής φωτός (Light Emitting Diodes, LED). Οι δίοδοι λέιζερ συμπεριφέρονται ομαλότερα στην μετατροπή του σήματος από ηλεκτρικό σε οπτικό, ενώ τα LEDs είναι φθηνότερα και καλύπτουν ευκολότερα τις προδιαγραφές του φυσικού επιπέδου του ΙΕΕΕ Οι τρεις διαφορετικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την λειτουργία της υπέρυθρης μετάδοσης είναι η διάχυτη εκπομπή από έναν πανκατευθυντικό φακό, η ανάκλαση του μεταδιδόμενου σήματος σε οροφή και η εστιασμένη μετάδοση. Η εστιασμένη μετάδοση χρησιμοποιείται μόνο σε περιπτώσεις τοπικών δικτύων που βρίσκονται στο ίδιο κτίριο ή σε διπλανά κτίρια, όταν υπάρχει καθαρή οπτική επαφή μεταξύ των ασύρματων γεφυρών και των δρομολογητών υπέρυθρης μετάδοσης. Στην πανκατευθυντική μετάδοση η στενή οπτική ακτίνα λέιζερ μετατρέπεται σε μια ευρύτερη με την βοήθεια φακών, με αποτέλεσμα η οπτική 35

36 ακτίνα να ακτινοβολείται προς όλες τις κατευθύνσεις παρέχοντας κάλυψη σε όλους τους κόμβους του δικτύου. Τέλος, στη μετάδοση με ανάκλαση σε οροφή, το σήμα ακτινοβολείται σε ένα σημείο μιας διάχυτης ανακλαστικής οροφής, η οποία λειτουργεί σαν επαναλήπτης, και έπειτα αυτό λαμβάνεται με πανκατευθυντικό τρόπο από τους κόμβους του ασύρματου τοπικού δικτύου. Η υπέρυθρη ακτινοβολία επιτρέπει την επίτευξη πολύ υψηλών ρυθμών μετάδοσης, καθώς τα οπτικά κανάλια έχουν πολύ μεγάλες χωρητικότητες Shannon, επιτρέποντας θεωρητικά εφικτές ταχύτητες μετάδοσης της τάξης του 1 Gbps. Επίσης, το κόστος υλοποίησης είναι πολύ χαμηλό, αφού το υπέρυθρο φάσμα δεν ελέγχεται σε καμία χώρα και τα υπέρυθρα σήματα μπορούν να αποδιαμορφωθούν με ανίχνευση πλάτους και όχι συχνότητας ή φάσης, μειώνοντας έτσι την πολυπλοκότητα και το κόστος των κυκλωμάτων που απαιτούνται. Τα μειονεκτήματα της υπέρυθρης μετάδοσης είναι η περιορισμένη εμβέλεια μετάδοσης, καθώς και το γεγονός, ότι δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εξωτερικούς χώρους, λόγω της παρεμβολής ηλιακών ακτινών στο συγκεκριμένο φάσμα. Συχνό πρόβλημα αποτελεί η εμφάνιση πολύδρομης διάδοσης, η οποία οδηγεί στο φαινόμενο της διασυμβολικής παρεμβολής, όπου η διασπορά των διαδοχικών συμβόλων έχει ως αποτέλεσμα επικάλυψη μέρους της ενέργειας του ενός συμβόλου με τα γειτονικά του. Το ΙΕΕΕ ορίζει την χρήση παλμοθεσικής διαμόρφωσης (Pulse Position modulation, PPM) για την μετάδοση δεδομένων με την χρήση υπέρυθρης ακτινοβολίας Φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος μεταπήδησης συχνότητας (FHSS) Στο φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος μεταπήδησης συχνότητας (Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS) το σήμα εκπέμπεται μέσω ενός ψευδοτυχαίου συνόλου καναλιών συχνότητας μεταπηδώντας (hopping) από το ένα κανάλι συχνοτήτων στο άλλο ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Ανάλογα με τον ρυθμό μεταπήδησης (chip rate) μπορεί να καθοριστεί η φύση του συστήματος, όσον αφορά τις τεχνικές γρήγορης ή αργής μεταπήδησης. Σύμφωνα με τους κανονισμούς της Ομοσπονδιακής Επιτροπής Επικοινωνιών των ΗΠΑ (FFC) ορίζεται, ότι κάθε κανάλι συχνότητας μπορεί να έχει εύρος 0.5 MHz στα 902 MHz ή 1 MHz στις ζώνες των 2.4 και 5.8 GHz. Επίσης, ο ελάχιστος επιτρεπτός ρυθμός μεταπήδησης είναι 2.5 hops/s, καθώς δεν επιτρέπεται να μεταδίδονται bits για παραπάνω από 0.4 sec συνεχόμενα σε κάθε κανάλι. Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα FHSS είναι πολύ ανθεκτικά στις παρεμβολές στενής ζώνης, λόγω του τρόπου με τον οποίο αξιοποιούν το κανάλι. Επίσης, μπορούν να λειτουργήσουν πολλά δίκτυα FHSS ταυτόχρονα στην ίδια γεωγραφική περιοχή, εφόσον έχουν ρυθμιστεί, έτσι ώστε να χρησιμοποιούν ορθογώνιες ακολουθίες μεταπήδησης. Τέλος, το πρωτόκολλο ΙΕΕΕ επιβάλλει την χρήση γκαουσιανής διαμόρφωσης μετατόπισης 36

37 συχνότητας (Gaussian Frequency Shift Keying, GFSK) δύο επιπέδων για την μετάδοση δεδομένων με ταχύτητα 1 Mbps και GFSK τεσσάρων επιπέδων για ταχύτητα 2 Mbps στα 2.4 GHz Φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος άμεσης ακολουθίας (DSSS) Στο φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος άμεσης ακολουθίας (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) κάθε bit του αρχικού σήματος αντιπροσωπεύεται στο εκπεμπόμενο σήμα από ένα πλήθος από bits. Αυτό γίνεται με δυαδικό πολλαπλασιασμό (XOR) των bit δεδομένων με μια ακολουθία ψευδοτυχαίων bit υψηλότερου ρυθμού, η οποία είναι γνωστή ως κώδικας chip (chipping code). Η ροή που προκύπτει έχει ρυθμό ίσο με αυτόν του κώδικα chip και εισάγεται σε ένα διαμορφωτή, ο οποίος τη μετατρέπει σε αναλογική μορφή, προκειμένου να μεταδοθεί. Η αναλογία μεταξύ των ρυθμών μετάδοσης chip και δεδομένων ονομάζεται παράγοντας διασποράς και συνήθως παίρνει τιμές μεταξύ 10 και 100. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές της FFC για να λειτουργήσει ένα φυσικό επίπεδο DSSS στις ζώνες ISM (industrial, scientific and medical band) πρέπει να χρησιμοποιηθεί παράγοντας τουλάχιστον ίσος με 10. Ο πραγματικός ρυθμός δεδομένων περιορίζεται από τον παράγοντα διασποράς, καθώς σε μια ζώνη εύρους C η ταχύτητα μετάδοσης δεν μπορεί να υπερβεί την τιμή (C / παράγοντας διασποράς). Ενώ φαίνεται, ότι η τεχνική του DSSS σπαταλά το εύρος ζώνης, στην ουσία έχει την σημαντική δυνατότητα να εξάγει ένα σήμα δεδομένων μέσα από παρεμβολές και θόρυβο στενής ζώνης, γεγονός που οδηγεί σε λιγότερες αναμεταδόσεις αυξάνοντας έτσι την συνολική απόδοση του σήματος. Επίσης, έχει την δυνατότητα να επιτρέπει την ταυτόχρονη λειτουργία περιορισμένου αριθμού διαφορετικών ασύρματων δικτύων στην ίδια γεωγραφική περιοχή σε σχέση με την FHSS, λόγω των περιορισμένων ελεύθερων διαθέσιμων καναλιών, που μπορούν να μοιραστούν. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές του ΙΕΕΕ το φυσικό επίπεδο DSSS λειτουργεί στην ζώνη των 2.4 GHz διαιρώντας το διαθέσιμο εύρος σε υποκανάλια εύρους 11 MHz. Για τη μετάδοση ροής δεδομένων στα 1 Mbps γίνεται χρήση της δυαδικής διαμόρφωσης μετατόπισης φάσης (Binary Phase Shift Keying, BPSK), ενώ για την μετάδοση στα 2 Mbps χρησιμοποιείται τετραγωνική διαμόρφωση μετατόπισης φάσης (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK). Τέλος, για μετάδοση στα 11 Mbps η τεχνική διαμόρφωσης, που χρησιμοποιείται, είναι η διαμόρφωση συμπληρωματικού κωδικού (Complementary Code Keying, CCK) Φυσικό επίπεδο ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας (OFDM) Με την χρήση ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) το μεταδιδόμενο σήμα διασπείρεται σε μια ευρεία 37

38 περιοχή συχνοτήτων. Η πολύπλεξη OFDM αποτελεί μια μορφή μετάδοσης πολλαπλών φορέων (multicarrier) διαιρώντας το διαθέσιμο φάσμα σε πολλούς φορείς, καθένας από τους οποίους διαμορφώνεται από μια ροή δεδομένων χαμηλού ρυθμού με τη χρήση διαμόρφωσης μετατόπισης φάσης (Phase Shift Keying, PSK). Η OFDM επιτρέπει την πρόσβαση πολλών χρηστών με την υποδιαίρεση του διαθέσιμου εύρους ζώνης σε πολλά κανάλια. Η OFDM είναι πιο αποδοτική από την FDMA (Frequency Division Multiple Access), καθώς τοποθετεί τα κανάλια του φάσματος πιο κοντά μεταξύ τους, αποφεύγοντας τις παρεμβολές σε γειτονικά κανάλια καθιστώντας τους φορείς ορθογώνιους μεταξύ τους. Η πολύπλεξη αντιμετωπίζει αποτελεσματικά τις διασυμβολικές παρεμβολές (διασπορά διαδοχικών συμβόλων). Παρόλα αυτά, λόγω του ότι ο κάθε φορέας, που δημιουργείται, είναι πολύ στενού εύρους ζώνης, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων είναι αργός. Σύμφωνα με το ΙΕΕΕ ο ρυθμός μετάδοσης στο φυσικό επίπεδο OFDM μπορεί να είναι 6, 12 και 24 Mbps, ενώ μπορεί να φτάσει ως και 54 Mbps. Ανάλογα με τον ρυθμό μετάδοσης χρησιμοποιούνται οι τεχνικές δυαδικής διαμόρφωσης μετατόπισης φάσης, τετραγωνικής διαμόρφωσης μετατόπισης φάσης και τετραγωνικής μετατόπισης πλάτους φάσης 16 και 64 επιπέδων [7] Το επίπεδο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (MAC) Το πρότυπο ΙΕΕΕ προσδιορίζει και το επίπεδο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (Media Access Control, MAC). Σε αντίθεση με το φυσικό επίπεδο, στο οποίο υπάρχουν αρκετές διαφορετικές υλοποιήσεις, προσδιορίζεται μόνο μία υλοποίηση επίπεδου MAC για χρήση σε συνδυασμό με μία από τις παραπάνω υλοποιήσεις του φυσικού επιπέδου. Το επίπεδο MAC είναι υπεύθυνο για την παραχώρηση του ασύρματου καναλιού σε κάποιο ασύρματο κόμβο για την μετάδοση πακέτων δεδομένων, για την διευθυνσιοδότηση των πακέτων του πρωτοκόλλου (Protocol Data Units, PDU), την μορφοποίηση πλαισίων (frames), τον έλεγχο λαθών, το τεμαχισμό και την επανασύνδεση των πακέτων. Το πρότυπο ΙΕΕΕ ορίζει δύο συναρτήσεις για την παραχώρηση του ασύρματου μέσου στους ασύρματους κόμβους, την κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού (Distributed Coordination Function, DCF) και την σημειακή συνάρτηση συντονισμού (Point Coordination Function, PCF), η οποία προσφέρεται μόνο σε δίκτυα υποδομής. Η DCF ρυθμίζει την ασύγχρονη κυκλοφορία του δικτύου ορίζοντας χρονικά διαστήματα, στα οποία οι σταθμοί ανταγωνίζονται μεταξύ τους για πρόσβαση στο μέσο. Αυτά τα χρονικά διαστήματα, που οι σταθμοί διεκδικούν το ασύρματο κανάλι, ονομάζονται περίοδοι ανταγωνισμού (Contention Periods, CPs). Η PCF μπορεί να λειτουργήσει προαιρετικά χρησιμοποιώντας ως βάση την DCF υποστηρίζοντας κυκλοφορία χωρίς ανταγωνισμό (Contention-Free Period, CFP). 38

39 Επιπρόσθετα, το πρότυπο προσδιορίζει μια λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας για τους σταθμούς του ασύρματου τοπικού δικτύου, καθώς και κάποιες διαδικασίες ασφάλειας. Εικόνα 3.4. Αρχιτεκτονική του επιπέδου ελέγχου πρόσβασης στο μέσο Διαπλαισιακά διαστήματα (IFS) Η DCF χρησιμοποιεί διαστήματα χρονικών καθυστερήσεων, τα οποία ονομάζονται διαπλαισιακά διαστήματα (Interframe Spaces,IFS), έτσι ώστε να μπορεί να ελέγχει την προτεραιότητα πρόσβασης στο μέσο, που προεκχωρεί στους σταθμούς. Ορίζονται πέντε είδη διαπλαισιακών διαστημάτων: το SIFS (Short IFS), το PIFS (PCF - IFS), το DIFS (DCF - IFS), το AIFS (Arbitration IFS) και το EIFS (Extended IFS). Το SIFS έχει την μικρότερη διάρκεια από τα τρία διαστήματα, με αποτέλεσμα όσοι σταθμοί πρέπει να περιμένουν για ένα διάστημα SIFS, πριν αποστείλουν ένα πακέτο, θα έχουν προτεραιότητα έναντι αυτών που θα πρέπει να περιμένουν για διαστήματα PIFS και DIFS. Αντίστοιχα, το διάστημα PIFS προσφέρει σε ένα σταθμό προτεραιότητα έναντι κάποιου, που θα πρέπει να περιμένει για ένα διάστημα DIFS. Το SIFS έχοντας την μεγαλύτερη προτεραιότητα χρησιμοποιείται από τον σταθμό, που έχει κερδίσει την πρόσβαση στο κανάλι και ετοιμάζεται να μεταδώσει. Αντίστοιχα, το DIFS έχοντας την μικρότερη προτεραιότητα χρησιμοποιείται από τους σταθμούς, που προσπαθούν να αποκτήσουν πρόσβαση στο ασύρματο μέσο κατά την περίοδο ανταγωνισμού (CP). Το PIFS δίνει προτεραιότητα σε ένα σταθμό, έτσι ώστε να μεταδώσει άνευ ανταγωνισμού (CFP) έναντι των υπόλοιπων σταθμών, που ανταγωνίζονται για το ασύρματο κανάλι. Το AIFS χρησιμοποιείται για τον ορισμό προτεραιοτήτων ανάμεσα στους ασύρματους κόμβους δίνοντας σε κάποιους πλεονέκτημα κατά την διεκδίκηση του ασύρματου καναλιού. Τέλος, το EIFS χρησιμοποιείται μετά από την ανίχνευση σύγκρουσης πακέτων στο ασύρματο μέσο. 39

40 Εικόνα 3.5. Διαπλαισιακά διαστήματα (IFS). Στο ΙΕΕΕ ο χρόνος διαιρείται σε σχισμές, με τον χρόνο της σχισμής να εξαρτάται από την υλοποίηση του φυσικού επιπέδου. Η διάρκεια μιας χρονικής σχισμής, είναι πολύ μικρότερη από το χρόνο που απαιτείται για την αποστολή ενός MPDU σε αντιδιαστολή με τα δίκτυα Aloha, που η κάθε σχισμή είναι ίση με την αποστολή ενός πακέτου. Η χρονική σχισμή (slot time) χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των διαπλαισιακών διαστημάτων. Για παράδειγμα η διάρκεια μιας χρονικής σχισμή για φυσικό επίπεδο DSSS είναι 20μs, άρα η διάρκεια ενός SIFS είναι SLOT TIME / 2 = 10μs, η διάρκεια ενός PIFS είναι SIFS + SLOT TIME = 30μs και η διάρκεια ενός DIFS είναι SIFS + 2 * SLOT TIME = 50μs Ανίχνευση του ασύρματου μέσου Η ανίχνευση της κυκλοφορίας του ασύρματου μέσου γίνεται με δύο διαφορετικές μεθόδους, με την ανίχνευση του φυσικού μέσου (physical carrier sensing) και με την ανίχνευση του εικονικού μέσου (virtual carrier sensing). Η ανίχνευση του φυσικού μέσου εντοπίζει την ύπαρξη άλλων χρηστών στο ασύρματο τοπικό δίκτυο αναλύοντας όλα τα πακέτα, τα οποία ανιχνεύει στο κανάλι, ενώ επίσης αντιλαμβάνεται πιθανή κυκλοφορία στο κανάλι ανιχνεύοντας την σχετική ισχύ του σήματος, που εκπέμπεται από άλλες πηγές μέσα στο δίκτυο. Η ανίχνευση του εικονικού μέσου επιτυγχάνεται περιλαμβάνοντας την διάρκεια αποστολής του MPDU (MAC Protocol Data Unit) στην κεφαλίδα (header) των πακέτων RTS, CTS και DATA. Το ΜPDU πλαίσιο περνάει στο φυσικό επίπεδο από το επίπεδο MAC προκειμένου να μεταδοθεί. Το MPDU περιέχει στην κεφαλίδα του το πεδίο διάρκειας (duration field), το οποίο υποδεικνύει το χρονικό διάστημα για το οποίο το κανάλι θα είναι κατειλημμένο, δηλαδή το χρόνο που απαιτείται μέχρι την επιτυχή μετάδοση ολόκληρου του πακέτου δεδομένων και την ολοκλήρωση της επικοινωνίας. Οι σταθμοί που βρίσκονται εντός του ίδιου BSS και ανιχνεύουν το πλαίσιο, διαβάζουν το πεδίο διάρκειας και θέτουν τον 40

41 δείκτη κατάληψης του μέσου (Network Allocation Vector, NAV) ίσο με αυτή την τιμή. Το NAV ουσιαστικά υποδεικνύει το ποσό του χρόνου, που πρέπει να περάσει, έτσι ώστε ο ασύρματος κόμβος να μπορέσει να ανταγωνιστεί για πρόσβαση στο μέσο Κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού (DCF) Η κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού (Distributed Coordination Function, DCF) είναι η βασική μέθοδος πρόσβασης στο μέσο, όσον αφορά την ασύγχρονη κυκλοφορία ενός ασύρματου δικτύου. Όπως προαναφέρθηκε η DCF λειτουργεί συνήθως μόνη της και αποτελεί την βάση συντονισμού της κυκλοφορίας του ασύρματου καναλιού, και κάποιες φορές συνυπάρχει με την PCF σε δίκτυα υποδομής. Η DCF προβλέπει, ότι όποιος ασύρματος κόμβος έχει MSDU (Mac Service Data Unit) πακέτα προς αποστολή, τότε πρέπει να ανταγωνιστεί για πρόσβαση στο ασύρματο μέσο. Εφόσον ο ασύρματος κόμβος καταφέρει να στείλει ένα πλαίσιο, τότε πρέπει να διεκδικήσει ξανά την πρόσβαση στο μέσο για τα υπόλοιπα πλαίσια που θέλει να μεταδώσει. Με αυτό τον τρόπο η DCF προσφέρει ίσα δικαιώματα για πρόσβαση στο κανάλι σε όλους του σταθμούς του δικτύου. Η DCF βασίζεται στο πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος σήματος και αποφυγής συγκρούσεων (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance, CSMA/CA) για την πρόσβαση στο μέσο, ενώ ο μηχανισμός ανταγωνισμού που χρησιμοποιεί, είναι η διαδικασία υπαναχώρησης (backoff procedure) CSMA/CA Σύμφωνα με το πρωτόκολλο CSMA/CA για να αποστείλει ένας σταθμός κάποιο πακέτο ανιχνεύει πρώτα το μέσο. Εάν το μέσο είναι ελεύθερο, ο σταθμός περιμένει για ένα διάστημα DIFS και ανιχνεύει ξανά το μέσο. Αν το μέσο εξακολουθεί να είναι ελεύθερο, τότε ο σταθμός στέλνει το MPDU στον σταθμό - παραλήπτη. Ο σταθμός - παραλήπτης ελέγχει αν το μέγεθος του πακέτου συμφωνεί με τις πληροφορίες που βρίσκονται στην κεφαλίδα του. Αν αποφασίσει, ότι το πακέτο ελήφθη σωστά, τότε περιμένει ένα διάστημα SIFS και στέλνει στον σταθμό αποστολέα ένα πλαίσιο επιβεβαίωσης λήψης (Acknowledgement frame, ACK), ενημερώνοντας τον, ότι η αποστολή του πλαισίου ήταν επιτυχής. Όταν το πλαίσιο δεδομένων αποστέλλεται, το πεδίο διάρκειας (duration field) του χρησιμοποιείται για να ενημερωθούν όλοι οι σταθμοί εντός του BSS σχετικά με το χρονικό διάστημα, που το μέσο θα είναι απασχολημένο. Όσοι σταθμοί μπορούν να εντοπίσουν το συγκεκριμένο πλαίσιο θέτουν στο NAV τους την συγκεκριμένη χρονική στιγμή, η οποία συμπεριλαμβάνει το πέρασμα ενός SIFS και την απάντηση του σταθμού με ACK, και ως τότε παραμένουν ανενεργοί στο δίκτυο. Μόλις περάσει αυτό το χρονικό διάστημα, όλοι οι ασύρματοι κόμβοι που επιθυμούν να μεταδώσουν ένα πακέτο στο μέσο περιμένουν για ένα διάστημα DIFS και ανταγωνίζονται για το ασύρματο μέσο. 41

42 Εικόνα 3.6. Βασική μέθοδος πρόσβασης στο μέσο Επειδή ένας σταθμός που εκπέμπει στο ασύρματο τοπικό δίκτυο δεν μπορεί να ανιχνεύσει τις δικιές του εκπομπές πακέτων, όταν συμβεί κάποια σύγκρουση, ο σταθμός - αποστολέας συνεχίζει να αποστέλλει ολόκληρο το MPDU. Εάν το MPDU είναι πολύ μεγάλο, δηλαδή φτάνει μέχρι και τα 2300 Bytes, σπαταλιέται πολύ μεγάλο εύρος του καναλιού, εξαιτίας μιας σύγκρουσης σε ένα MPDU. Για αυτό τον λόγο η DCF επιστρατεύει τα RTS (Request To Send) και CTS (Clearance To Send) πακέτα, τα οποία είναι πλαίσια ελέγχου και χρησιμοποιούνται από έναν σταθμό για την δέσμευση του καναλιού, ελαχιστοποιώντας έτσι το ποσό του εύρους που σπαταλιέται στην περίπτωση σύγκρουσης. Το RTS είναι 20 Bytes, ενώ το CTS είναι 14 Bytes. Είναι προφανές, ότι η σύγκρουση αυτών των πακέτων είναι αμελητέα σε σχέση με την σπατάλη που θα προκαλέσει ένα MPDU των 2300 Bytes. Η χειραψία του RTS - CTS προβλέπει ότι ο σταθμός - αποστολέας ανιχνεύει το μέσο και εφόσον είναι ελεύθερο περιμένει για ένα διάστημα DIFS. Εάν το μέσο είναι πάλι ελεύθερο, αποστέλλει ένα πλαίσιο RTS στο σταθμό που θέλει να αποστείλει το MPDU. Όλοι οι σταθμοί που ανιχνεύουν το RTS θέτουν το NAV τους αναλόγως και μένουν ανενεργοί μέχρι να τελειώσει ολόκληρη η μετάδοση. Ο σταθμός - παραλήπτης περιμένει για ένα διάστημα SIFS και αποκρίνεται με ένα πλαίσιο CTS. Όσοι σταθμοί ανιχνεύουν το CTS, διαβάζουν το πεδίο διάρκειας, έτσι ώστε να ενημερώσουν το NAV τους και να αδρανοποιηθούν, μέχρι να τελειώσει η μετάδοση. Η λήψη του CTS από το σταθμό - παραλήπτη τον επιβεβαιώνει, ότι το κανάλι είναι ελεύθερο για την αποστολή του MPDU. Επιπλέον, η χρήση του μηχανισμού RTS - CTS καταπολεμά το πρόβλημα του «κρυμμένου τερματικού», το οποίο συμβαίνει σε μη-πλήρως συνδεδεμένες τοπολογίες προκαλώντας πολλές συγκρούσεις πακέτων. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα να ελεγχθεί, πότε θα χρησιμοποιείται αυτός ο μηχανισμός ανάλογα με το μέγεθος του MPDU. Χρησιμοποιείται μια σταθερά RTS_Threshold, η οποία αναφέρεται στο όριο του μεγέθους του MPDU πάνω από το οποίο χρησιμοποιείται το RTS - CTS. 42

43 Εικόνα 3.7. Μέθοδος πρόσβασης με τον μηχανισμό RTS - CTS Τεμαχισμός Όταν το ασύρματο μέσο μετάδοσης εμφανίζει πολύ μεγάλο bit error rate είναι δυνατόν να τεμαχιστούν τα πακέτα σε μικρότερα για να αυξηθεί η αξιοπιστία της μετάδοσης. Ορίζεται μια σταθερά Fragmentation_Threshold (όριο τεμαχισμού), η οποία οριοθετεί το ανώτατο μέγεθος του MSDU πάνω από το οποίο το πακέτο θα τεμαχίζεται σε μικρότερα πλαίσια. Εικόνα 3.8. Μετάδοση τεμαχισμένων πλαισίων με τον μηχανισμό RTS - CTS Όταν ένα MSDU τεμαχίζεται σε μικρότερα πλαίσια, αυτά μεταδίδονται συνεχόμενα. Το ασύρματο κανάλι παραμένει απασχολημένο, μέχρι να αποσταλεί ολόκληρο το MSDU επιτυχώς ή μέχρι ο σταθμός - αποστολέας αποτύχει να παραλάβει ένα πλαίσιο επιβεβαίωσης ACK. Για κάθε πλαίσιο που λαμβάνει ο σταθμός παραλήπτης αποκρίνεται με ένα πλαίσιο ACK. Ο σταθμός - αποστολέας διατηρεί τον έλεγχο του καναλιού στέλνοντας το επόμενο πλαίσιο δεδομένων μετά από διάστημα SIFS από την λήψη του ACK για το προηγούμενο πλαίσιο δεδομένων που απέστειλε. Σε περίπτωση που δεν παραλάβει κάποιο πλαίσιο ACK, 43

44 διεκδικεί ξανά το κανάλι κατά την διάρκεια της CP (περίοδο ανταγωνισμού) και, εφόσον αποκτήσει πρόσβαση, συνεχίζει με το τελευταίο πλαίσιο δεδομένων για το οποίο δεν έλαβε ACK. Αν χρησιμοποιείται ο μηχανισμός RTS CTS, τότε εφαρμόζεται μόνο στην αποστολή του πρώτου πλαισίου, ενώ η αποστολή των επόμενων πλαισίων πραγματοποιείται χωρίς αυτόν Διαδικασία τυχαίας υπαναχώρησης (Backoff procedure) Η αποφυγή των συγκρούσεων στο CSMA/CA επιτυγχάνεται μέσω της διαδικασίας τυχαίας υπαναχώρησης (Random Backoff), σύμφωνα με την οποία, αν ένας σταθμός προσπαθήσει να διεκδικήσει το ασύρματο μέσο, αλλά αυτό είναι απασχολημένο, τότε ο σταθμός περιμένει, μέχρι το μέσο να γίνει ελεύθερο για διάστημα DIFS και υπολογίζει έναν τυχαίο χρόνο υπαναχώρησης. Ο τυχαίος χρόνος υπαναχώρησης είναι ένας ακέραιος μετρητής, ο οποίος αντιστοιχεί σε αριθμό χρονικών σχισμών (slot time). Εικόνα 3.9. Διαδικασία υπαναχώρησης (Backoff procedure) Αρχικά, ο σταθμός υπολογίζει έναν χρόνο υπαναχώρησης μεταξύ του 0 και του 7. Εφόσον το μέσο μείνει ελεύθερο για διάστημα DIFS, οι σταθμοί μειώνουν κατά ένα τον μετρητή υπαναχώρησης για κάθε χρονική σχισμή που το μέσο παραμένει ελεύθερο και κανένας μετρητής δεν έχει μηδενιστεί. Αν ένας μετρητής δεν έχει φτάσει στο μηδέν και το μέσο γίνει απασχολημένο, τότε ο σταθμός παγώνει τον μετρητή του. Αν ένας μετρητής φτάσει στο μηδέν, τότε ο σταθμός αποστέλλει το πλαίσιο του. Αν ο μετρητής δύο ή περισσότερων μετρητών φτάσει στο μηδέν ταυτόχρονα, τότε θα συμβεί σύγκρουση, και κάθε σταθμός θα πρέπει να υπολογίσει νέο χρόνο υπαναχώρησης, που αυτή την φορά θα είναι μεταξύ του 0 και του 15. Για κάθε προσπάθεια επαναμετάδοσης, ο χρόνος υπαναχώρησης μεγαλώνει σύμφωνα με τον τύπο 2 2+x * random(), όπου x είναι ο αριθμός των συνεχόμενων φορών, που ο σταθμός επιχειρεί να στείλει ένα MPDU και random() είναι μια συνάρτηση, η οποία παράγει έναν τυχαίο αριθμό με ομοιόμορφη κατανομή ανάμεσα στο 0 και στο 1. Ο 44

45 χρόνος υπαναχώρησης ισούται πάντα με το αποτέλεσμα του παραπάνω τύπου στρογγυλοποιημένο κατά κάτω. Η περίοδος που το μέσο είναι ελεύθερο μετά από ένα διάστημα DIFS, ονομάζεται παράθυρο ανταγωνισμού (Contention Window, CW). Με αυτή την μέθοδο υπάρχει δίκαιη κατανομή του μέσου, καθώς όλοι οι σταθμοί έχουν ίσες πιθανότητες να αποκτήσουν πρόσβαση, και επίσης κάθε σταθμός πρέπει να ανταγωνίζεται ξανά μετά από την αποστολή ενός MSDU για πρόσβαση στο ασύρματο κανάλι Δομή των πλαισίων Το ΙΕΕΕ προσδιορίζει τρεις διαφορετικούς τύπους πλαισίων, τα πλαίσια διαχείρισης, τα πλαίσια ελέγχου και τα πλαίσια δεδομένων. Τα πλαίσια διαχείρισης χρησιμοποιούνται για την συσχέτιση των σταθμών με το σημείο πρόσβασης (AP), για τον συγχρονισμό μεταξύ των κόμβων του δικτύου και για την πιστοποίηση των σταθμών. Τα πλαίσια ελέγχου χρησιμοποιούνται για την ανταλλαγή χειραψίας (handshake CTS - RTS) μεταξύ των σταθμών πριν από την ανταλλαγή δεδομένων κατά την διάρκεια της περιόδου ανταγωνισμού (CP), για την μετάδοση επιβεβαιώσεων (ACK) κατά την διάρκεια της CP και για την λήξη της περιόδου χωρίς ανταγωνισμό (CFP). Τα πλαίσια δεδομένων χρησιμοποιούνται για την αποστολή δεδομένων κατά την διάρκεια των περιόδων CP - CFP Πλαίσια ελέγχου Τα πλαίσια ελέγχου, που χρησιμοποιούνται από την DCF είναι το RTS, το CTS και το ACK. Όλα αποτελούνται από ένα πεδίο ελέγχου (Frame Control) (2 bytes), ένα πεδίο διάρκειας (Duration field) (2 bytes), την διεύθυνση του παραλήπτη (Receiver Address) (6 bytes) και ένα πεδίο για τον εντοπισμό λαθών στα bits του πακέτου (Frame Sequence Check) (4 bytes). Στο πακέτο RTS υπάρχει ένα επιπλέον πεδίο με την διεύθυνση του αποστολέα (Transmitter Address) (6 bytes). Εικόνα Δομή πλαισίου RTS (Request to Send) 45

46 Εικόνα Δομή πλαισίου CTS (Clearance to Send) και ACK (Acknowledgement) Πλαίσια δεδομένων Τα πλαίσια δεδομένων περιέχουν τα παρακάτω πεδία: πεδίο ελέγχου (Frame Control), μεταφέρει πληροφορίες σχετικές με την διαχείριση του πλαισίου (2 bytes). πεδίο διάρκειας (Duration Field), υποδεικνύει την διάρκεια για την οποία το ασύρματο μέσο θα είναι εικονικά κατειλημμένο (virtually busy) (2 bytes). διεύθυνση (Address), η πρώτη διεύθυνση περιέχει την διεύθυνση του παραλήπτη, ενώ η δεύτερη την διεύθυνση του αποστολέα (6 bytes ανά διεύθυνση). πεδίο ελέγχου ακολουθίας (Sequence Control), ελέγχει την ακολουθία των πλαισίων (2 bytes). πεδίο ποιότητα υπηρεσιών (QoS Control), χρησιμοποιείται για την παροχή ποιότητας υπηρεσιών (εκχώρηση προτεραιοτήτων) (2 bytes). δεδομένα προς μετάδοση (frame body), τα δεδομένα που μεταδίδει ο χρήστης ( bytes). κώδικας εντοπισμού λαθών (FCS), χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό λαθών στα bits του πακέτου (4 bytes). Εικόνα Δομή πλαισίου δεδομένων (DATA) Εξοικονόμηση Ενέργειας Το πρότυπο ΙΕΕΕ υποστηρίζει λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας, αποθηκεύοντας προσωρινά την κυκλοφορία, που προορίζεται για ανενεργούς ασύρματους κόμβους, σε ενδιάμεσους σταθμούς μεταδότες. Ένας σταθμός μπορεί να εισέλθει σε 46

47 κατάσταση ύπνου (sleep mode) με την εισερχόμενη κυκλοφορία που προορίζεται για αυτόν να αποθηκεύεται σε buffers μέχρι να ενεργοποιηθεί ξανά. Στα δίκτυα υποδομής ένας σταθμός, που επανέρχεται από την κατάσταση ύπνου, αφουγκράζεται το μέσο για πλαίσια σηματοδοσίας από το σημείο πρόσβασης AP. Τα πλαίσια σηματοδοσίας υποδηλώνουν ότι το σημείο πρόσβασης έχει αποθηκευμένα δεδομένα για αυτόν τον κόμβο. Σε αυτή την περίπτωση ο ασύρματος κόμβος ζητά την παραλαβή τους. Αντίθετα, στα αδόμητα δίκτυα που δεν υπάρχει σημείο πρόσβασης, οι ασύρματοι κόμβοι που βρίσκονται σε κατάσταση ύπνου ξυπνούν περιοδικά για να ανιχνεύσουν το μέσο για εισερχόμενα πλαίσια [7][8] Δημιουργία προσομοιωτή Για τον σκοπό αυτής της εργασίας δημιουργήθηκε ένας προσομοιωτής του προτύπου ΙΕΕΕ με την χρήση της OMNeT++. Δόθηκε έμφαση στο επίπεδο μετάδοσης του προτύπου, ενώ παράλληλα υλοποιήθηκαν και κάποιες απαραίτητες λειτουργίες του φυσικού επιπέδου. Το φυσικό επίπεδο του προσομοιωτή δημιουργήθηκε με βάση το φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος άμεσης ακολουθίας (DSSS). Δημιουργήθηκε μια κλάση για την λειτουργία του ασύρματου κόμβου του δικτύου, ενώ η προσομοίωση του ασύρματου μέσου υλοποιήθηκε με την χρήση συναρτήσεων της βιβλιοθήκης cchannel της OMNeT Τοπολογία του δικτύου Ο προσομοιωτής που δημιουργήθηκε είναι παραμετροποιήσιμος και μπορεί να προσομοιώσει διάφορες ασύρματες τοπολογίες με οποιοδήποτε αριθμό ασύρματων κόμβων. Ως είσοδο δέχεται τον αριθμό των κόμβων του δικτύου, την θέση τους και την εμβέλεια τους. Κάθε φορά που ξεκινάει η προσομοίωση, οι κόμβοι τοποθετούνται στο δίκτυο και ανάλογα με τις αποστάσεις τους και την εμβέλεια που έχει οριστεί, δημιουργούνται αμφίδρομα κανάλια διασύνδεσης μεταξύ των κόμβων, που είναι εντός εμβέλειας. Ο ρυθμός μετάδοσης αποστολής στο κάθε κανάλι είναι 54 Mbps, ενώ υπάρχει και η δυνατότητα να οριστεί πιθανότητα bit error rate Ασύρματος κόμβος Η κλάση που δημιουργήθηκε για τους ασύρματους κόμβους υλοποιεί μία σειρά από λειτουργίες. Όσον αφορά το φυσικό επίπεδο, δημιουργήθηκε η συνάρτηση transmit(), η οποία στέλνει το πακέτο, που δέχεται ως όρισμα, σε όσους κόμβους βρίσκονται εντός εμβέλειας του κόμβου αποστολέα, δηλαδή στέλνει το πακέτο προς όλες τις διαθέσιμες πύλες. Δημιουργήθηκε η συνάρτηση collision_control(), η οποία ανιχνεύει τις συγκρούσεις που συμβαίνουν στο δίκτυο. Θεωρείται σύγκρουση η άφιξη δύο πακέτων στον ίδιο κόμβο, όταν αυτά στάλθηκαν ταυτόχρονα ή όταν η μετάδοση του ενός επικαλύπτει χρονικά την μετάδοση 47

48 του άλλου. Επίσης, σύγκρουση είναι η αποστολή δύο πακέτων στο ίδιο κανάλι επικοινωνίας, όταν τα δύο πακέτα στάλθηκαν ταυτόχρονα ή όταν οι μεταδόσεις τους επικαλύπτονται χρονικά. Δεν επιτρέπεται η αποστολή δεύτερου πακέτου από ένα κόμβο σε ένα κανάλι, εφόσον δεν έχει τελειώσει ακόμα η προηγούμενη μετάδοση. Τέλος, δημιουργήθηκε μια συνάρτηση για την ανίχνευση του καναλιού, η οποία ελέγχει, αν το κανάλι είναι απασχολημένο ή όχι. Όσον αφορά το επίπεδο πρόσβασης στο μέσο, υλοποιήθηκε η κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού (DCF). Επίσης, υλοποιήθηκε το πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος σήματος και αποφυγή συγκρούσεων (CSMA/CA), η διαδικασία υπαναχώρησης (backoff procedure), ο τεμαχισμός των πακέτων και μία γεννήτρια συνάρτηση πακέτων, η οποία παράγει πακέτα μεταβλητού μεγέθους ανά μεταβλητά χρονικά διαστήματα, που ακολουθούν την εκθετική κατανομή. Το μέγεθος των πακέτων δεδομένων είναι τυχαίο και ακολουθεί την ομοιόμορφη κατανομή, χωρίς όμως να ξεπερνάει το επιτρεπτό όριο μεγέθους για δεδομένα (2304 bytes). Η επιλογή του κόμβου στον οποίο στέλνεται κάθε φορά ένα πακέτο γίνεται με τυχαία συνάρτηση, που ακολουθεί την ομοιόμορφη κατανομή, η οποία επιλέγει έναν από τους γειτονικούς κόμβους Αποτελέσματα προσομοιωτή Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αφορούν ένα αδόμητο δίκτυο με 10 ασύρματους κόμβους. Ο ρυθμός μετάδοσης των κόμβων είναι 54 Mbps. Οι προσομοιώσεις διήρκεσαν 10 λεπτά χρόνου προσομοίωσης. Έγιναν προσομοιώσεις για διαφορετικά μεγέθη πακέτων, διαφορετικά bit error rates και διαφορετικά fragmentation thresholds. Σε όλες τις προσομοιώσεις ελέγχονται οι μετρικές τις ρυθμοαπόδοσης, του φόρτου και της καθυστέρησης επιτυχούς μετάδοσης. Η ρυθμοαπόδοση είναι ο λόγος των συνολικών καθαρών δεδομένων (χωρίς επικεφαλίδες), που στάλθηκαν επιτυχώς ανά δευτερόλεπτο, ως προς τα δεδομένα, που θα μπορούσαν να σταλθούν με το συγκεκριμένο ρυθμό μετάδοσης ανά δευτερόλεπτο. Ο φόρτος είναι ο λόγος των συνολικών δεδομένων που κατέφθασαν στους κόμβους, από τις αφίξεις πακέτων, ως προς τα δεδομένα, που θα μπορούσαν να σταλθούν με το συγκεκριμένο ρυθμό μετάδοσης ανά δευτερόλεπτο. Η καθυστέρηση επιτυχούς μετάδοσης είναι η συνολική καθυστέρηση σε όλους τους κόμβους από όλα τα πακέτα που στάλθηκαν, υπολογίζοντας την καθυστέρηση από τον χρόνο δημιουργίας του πακέτου μέχρι την λήψη ACK για την επιτυχή αποστολή του. 48

49 Έλεγχος της επίδρασης του μεγέθους του πακέτου στην απόδοση του δικτύου Στο διάγραμμα φαίνονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων για την παραγωγή πακέτων διαφορετικού μέσου μεγέθους (2300 bytes, 1000 bytes και 500 bytes). Και στις τρεις περιπτώσεις δεν γίνεται τεμαχισμός των πακέτων και το δίκτυο είναι πλήρως συνδεδεμένο. Όσον αφορά την ρυθμοαπόδοση είναι φανερό, ότι το μέσο μέγεθος πακέτου 2300 bytes εμφανίζει την καλύτερη απόδοση. Αυτό συμβαίνει, γιατί όσο πιο μεγάλο είναι το μέγεθος του πακέτου δεδομένων, τόσο μικρότερη είναι αναλογικά η επιβάρυνση (overhead), που εισάγεται από την αποστολή των πακέτων RTS, CTS και ACK. Επίσης, είναι μικρότερη αναλογικά η επιβάρυνση που εισάγεται από τα Interframe Spaces. Διάγραμμα Ρυθμοαπόδοση ως προς τον φόρτο του δικτύου για διαφορετικούς μέσους όρους των μεγεθών των πακέτων σε πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία Ενδεικτικά για την αποστολή ενός πακέτου, απαιτείται επιπρόσθετο χρονικό διάστημα ίσο με ένα DIFS και 3 SIFS διαστήματα συν τον χρόνο, που απαιτείται για να μεταδοθούν τα πακέτα RTS, CTS και ACK στα 54 Μbps, δηλαδή συνολικά 87 μs. Ο χρόνος που απαιτείται για να αποσταλεί ένα πακέτο 2300 bytes είναι 340 μs, άρα αναλογικά η επιβάρυνση αποτελεί μόνο το 87 / 340 = 25% του χρόνου μετάδοσης του πακέτου δεδομένων. Ο χρόνος που απαιτείται για να αποσταλεί ένα πακέτο 500 bytes είναι 74 μs, άρα αναλογικά η επιβάρυνση αποτελεί το 87 / 74 = 117% του χρόνου μετάδοσης του πακέτου δεδομένων! Δηλαδή σε αυτή την περίπτωση απαιτείται περισσότερος χρόνος για να ολοκληρωθεί η χειραψία σε σχέση με τον χρόνο που απαιτείται για να μεταδοθεί το πακέτο 49

50 δεδομένων. Κατά συνέπεια είναι εμφανές, γιατί το μεγαλύτερο μέσο μέγεθος πακέτου εμφανίζει καλύτερη απόδοση. Στο διάγραμμα γίνεται σύγκριση ανάμεσα στην καθυστέρηση επιτυχούς μετάδοσης ως προς τον φόρτο για τις τρεις περιπτώσεις. Για να παραχθεί ο ίδιος φόρτος από τα πακέτα των 500 bytes σε σχέση με αυτά των 2300 bytes απαιτούνται πολλά παραπάνω πακέτα. Για αυτό τον λόγο στην περίπτωση μέσου μεγέθους πακέτου 500 bytes, δημιουργούνται πιο πολλά πακέτα. Σε συνδυασμό με το γεγονός, ότι η επιβάρυνση κατά την μετάδοση των μικρότερων πακέτων είναι αναλογικά μεγαλύτερη, οδηγεί σε μεγαλύτερη συμφόρηση και μεγαλύτερη συσσώρευση πακέτων στους buffers. Για αυτό τον λόγο, όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος του πακέτου, τόσο μικρότερη είναι η καθυστέρηση επιτυχούς μετάδοσης. Τέλος, η αύξηση της καθυστέρησης περιορίζεται μετά από ένα σημείο, και αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, όταν ο buffer γεμίζει, τα υπόλοιπα πακέτα, που θα δημιουργηθούν, απορρίπτονται (drop), μέχρι να χωράνε ξανά νέα πακέτα. Διάγραμμα Καθυστέρηση επιτυχούς μετάδοσης ως προς τον φόρτο του δικτύου για διαφορετικούς μέσους όρους των μεγεθών των πακέτων σε πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία 50

51 Έλεγχος της επίδρασης του τεμαχισμού των πακέτων στην απόδοση του δικτύου Στο διάγραμμα εμφανίζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων για διαφορετικά bit error rate. Σε όλες τις περιπτώσεις το δίκτυο είναι πλήρως συνδεδεμένο και το μέγεθος των πακέτων είναι 2300 bytes. Τα διαφορετικά bit error rate είναι τα 10-9, 10-5 και Bit error rate 10-9 σημαίνει, ότι υπάρχει πιθανότητα 1/ να έχει παραποιηθεί ένα bit κατά την μετάδοση του. Γίνεται σύγκριση ανάμεσα στον τεμαχισμό πακέτων και στην μετάδοση ολόκληρων πακέτων. Εξετάζοντας πρώτα τις περιπτώσεις, που δεν γίνεται τεμαχισμός των πακέτων, παρατηρείται, όπως είναι λογικό, ότι στα δίκτυα που υπάρχει μικρότερο bit error rate, η ρυθμοαπόδοση είναι εμφανώς καλύτερη. Αυτό συμβαίνει, διότι όσο μικρότερο είναι το bit error rate, τόσο λιγότερα πακέτα λαμβάνονται εσφαλμένα και τόσες λιγότερες είναι οι επαναμεταδόσεις. Η χειρότερη ρυθμοαπόδοση συναντάται στην περίπτωση του bit error rate 10-4, που η πιθανότητα να υπάρχει λάθος στην μετάδοση ενός πακέτου των 2300 bytes είναι πολύ μεγάλη. Βελτιωμένη ρυθμοαπόδοση εμφανίζεται στο bit error rate 10-5, ενώ η μεγαλύτερη ρυθμοαπόδοση εμφανίζεται στην περίπτωση bit error rate Διάγραμμα Ρυθμοαπόδοση ως προς τον φόρτο του δικτύου για διαφορετικά bit error rate (σύγκριση τεμαχισμού - μη τεμαχισμού των πακέτων) σε πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία Στις περιπτώσεις τεμαχισμού (με τις διακεκομμένες καμπύλες στο διάγραμμα) ο τεμαχισμός έγινε στα 800 bytes, δηλαδή για να σταλθεί ένα πακέτο των 2300 bytes, πρέπει 51

52 συνολικά να σταλθούν 3 τεμάχια. Ακολουθείται η ίδια λογική με τις περιπτώσεις μη τεμαχισμού. Όσο μικρότερο είναι το bit error rate, τόσο μεγαλύτερη είναι η ρυθμοαπόδοση. Συγκρίνοντας τις περιπτώσεις τεμαχισμού και μη τεμαχισμού παρατηρείται ότι: Στην περίπτωση του bit error rate 10-9 ο τεμαχισμός εμφανίζει μειωμένη απόδοση. Αυτό συμβαίνει, γιατί πολύ σπάνια κάποιο πακέτο λαμβάνεται λάθος, λόγω bit error rate, οπότε είναι προτιμότερο να σταλθεί μονοκόμματα ένα πακέτο των 2300 bytes παρά δύο πακέτα των 800 bytes και ένα πακέτο των 700 bytes. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την μικρότερη αναλογικά επιβάρυνση, που συναντάται στην περίπτωση του μη τεμαχισμού. Στην περίπτωση του bit error rate 10-5 ο τεμαχισμός εμφανίζει πάλι μειωμένη απόδοση, για τους ίδιους λόγους. Παρόλα αυτά, παρατηρούμε, ότι η διαφορά στην ρυθμοαπόδοση από την περίπτωση του μη τεμαχισμού έχει μειωθεί σε σχέση με τις καμπύλες για bit error rate Στην περίπτωση του μη τεμαχισμού η αναλογική επιβάρυνση ανά πακέτο εξακολουθεί να είναι μικρότερη, αλλά η πιθανότητα να έχει μεταδοθεί λάθος ένα bit στο πακέτο των 2300 bytes είναι πολύ μεγαλύτερη. Άρα, το μικρότερο μέγεθος πακέτου στην περίπτωση του τεμαχισμού μικραίνει την πιθανότητα να υπάρχει bit error rate και αυτό αναπληρώνει το γεγονός, ότι το μικρότερο πακέτο έχει μεγαλύτερη αναλογική επιβάρυνση. Στην περίπτωση του bit error rate 10-4 ο τεμαχισμός εμφανίζει καλύτερη ρυθμοαπόδοση. Αυτό συμβαίνει, επειδή το μεγάλο bit error rate οδηγεί σε παραπάνω απώλειες πακέτων στην περίπτωση του μη τεμαχισμού σε σχέση με αυτή του τεμαχισμού. Το συμπέρασμα είναι, ότι ο τεμαχισμός των πακέτων εμφανίζει πολύ καλύτερα αποτελέσματα στην περίπτωση υψηλού bit error rate στο ασύρματο μέσο μετάδοσης, ενώ όταν το bit error rate είναι χαμηλό, είναι πιο αποδοτικό να αποφεύγεται ο τεμαχισμός. Στο διάγραμμα εμφανίζεται η καθυστέρηση επιτυχούς μετάδοσης ως προς τον φόρτο για τις παραπάνω προσομοιώσεις. Ισχύει η ίδια επεξηγηματική λογική σε όλες τις περιπτώσεις. Είναι προφανές, ότι η απώλεια πακέτων, λόγω bit error rate, οδηγεί σε αναμεταδόσεις των πακέτων. Αυτό σημαίνει συμφόρηση του δικτύου και συσσώρευση των πακέτων στους buffer, άρα κατά συνέπεια μεγαλύτερη καθυστέρηση επιτυχούς μετάδοσης. 52

53 Διάγραμμα Καθυστέρηση επιτυχούς μετάδοσης ως προς τον φόρτο του δικτύου για διαφορετικά bit error rate (σύγκριση τεμαχισμού - μη τεμαχισμού των πακέτων) σε πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία Εικόνα Μη-πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία δικτύου Προσομοιώσεις σε μη-πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία Στα επόμενα διαγράμματα παρουσιάζονται αποτελέσματα μιας μη-πλήρως συνδεδεμένης τοπολογίας. Στις προσομοιώσεις δεν γίνεται τεμαχισμός των πακέτων και το μέγεθος τους είναι 2300 bytes. Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η ρυθμοαπόδοση ως προς τον φόρτο του δικτύου. Παρατηρείται αυξημένη ρυθμοαπόδοση (σχεδόν 80%) σε σχέση με αυτή της πλήρως συνδεδεμένης τοπολογίας (65%). Αυτό συμβαίνει, γιατί στην μη-πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία, που εμφανίζεται στην εικόνα 3.18., δημιουργούνται πολλές ομάδες 53

54 (clusters) από ασύρματους κόμβους, με την κάθε ομάδα να είναι εκτός εμβέλειας η μία από την άλλη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να είναι εφικτή η μετάδοση δύο πακέτων ταυτόχρονα σε διαφορετικά clusters. Άρα, υπάρχει η δυνατότητα αποστολής περισσότερων bytes δεδομένων σε σχέση με την πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία, δηλαδή δυνατότητα να αυξηθεί η ρυθμοαπόδοση του δικτύου. Διάγραμμα Ρυθμοαπόδοση ως προς τον φόρτο του δικτύου σε μη-πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία Στο διάγραμμα εμφανίζεται η σχέση της καθυστέρησης επιτυχούς μετάδοσης ως προς το φόρτο του δικτύου σε μη-πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία. Στο διάγραμμα εμφανίζονται οι συγκρούσεις πακέτων ανά κόμβο για προσομοίωση με μεγάλο φόρτο. Οι θέσεις των κόμβων φαίνονται στην εικόνα Παρατηρούμε ότι οι κόμβοι, που έχουν πολλούς κόμβους εντός εμβέλειας τους, έχουν περισσότερες συγκρούσεις πακέτων (κόμβοι 3,4 και 7). Αυτό είναι λογικό καθώς αυτοί οι κόμβοι λαμβάνουν μεταδόσεις πακέτων από παραπάνω κόμβους, οπότε μεγαλώνει η πιθανότητα να υπάρξει σύγκρουση πακέτων. Η σύγκρουση πακέτων μπορεί να οφείλεται στον ταυτόχρονο μηδενισμό του μετρητή υπαναχώρησης δύο κόμβων ή στο πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού. Στην προκειμένη περίπτωση ένας κόμβος μπορεί να καταστρέψει την μετάδοση ενός πακέτου Α από έναν «κρυφό» ασύρματο κόμβο, που βρίσκεται σε κάποιο γειτονικό cluster, στέλνοντας στον παραλήπτη του πακέτου Α ένα δεύτερο πακέτο Β. 54

55 Διάγραμμα Καθυστέρηση επιτυχούς μετάδοσης ως προς τον φόρτο του δικτύου σε μη-πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία Διάγραμμα Συγκρούσεις πακέτων ανά κόμβο σε μη-πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία με μεγάλο φόρτο 55

56 4. Υβριδικό ευρυζωνικό δίκτυο πρόσβασης Το προτεινόμενο υβριδικό ευρυζωνικό δίκτυο πρόσβασης παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα, όσον αφορά το κόστος, το παρεχόμενο εύρος ζώνης και τις δυνατότητες για εξοικονόμηση ενέργειας. Η χρήση ενός δικτύου mesh ασύρματων δρομολογητών ως προθάλαμο για το δίκτυο πρόσβασης είναι ιδιαίτερα οικονομική και προσφέρει την καλύτερη δυνατή αναλογία κόστους και κάλυψης. Επίσης, με αυτό τον τρόπο η αρχιτεκτονική είναι αρκετά ευέλικτη στο θέμα της επεκτασιμότητας στην περίπτωση που αυξηθούν οι χρήστες του δικτύου πρόσβασης. Όσον αφορά το εύρος ζώνης, γίνεται διαμοιρασμός των γρήγορων ρυθμών μετάδοσης του παθητικού οπτικού δικτύου σε πολλαπλούς ασύρματους δρομολογητές προσφέροντας έτσι ικανοποιητική αντιστοιχία εύρους ζώνης ανά χρήστη. Τέλος, η δυνατότητα δρομολόγησης της κίνησης από εναλλακτικά μονοπάτια καθιστά αυτή την αρχιτεκτονική ιδιαίτερα ελκυστική για την εφαρμογή μηχανισμών εξοικονόμησης ενέργειας Αρχιτεκτονική του δικτύου πρόσβασης Το υβριδικό ευρυζωνικό δίκτυο πρόσβασης αποτελεί τον βέλτιστο συνδυασμό ενός παθητικού οπτικού δικτύου ως ραχοκοκαλιά (backhaul) και ενός ασύρματου mesh δικτύου ως προθάλαμο (front-end). Το πρότυπο, που επιλέχθηκε, για την βάση του δικτύου είναι το GPON του ITU-T. Αντίστοιχα, το πρότυπο που επιλέχθηκε για το front-end του δικτύου είναι το IEEE (WiFi). Το παθητικό οπτικό δίκτυο ξεκινάει από τα κεντρικά γραφεία του τηλεπικοινωνιακού παρόχου με το Optical Line Terminal (OLT) και τερματίζει σε πολλαπλές οπτικές μονάδες (Optical Network Units, ONUs). Πολλαπλοί ασύρματοι δρομολογητές απαρτίζουν τον προθάλαμο του δικτύου πρόσβασης. Ένα επιλεγμένο σύνολο από αυτούς τους ασύρματους δρομολογητές ονομάζονται πύλες (gateways). Ουσιαστικά, το front-end του δικτύου είναι ένα πλέγμα (mesh network) από ασύρματους δρομολογητές και μερικές πύλες. Οι πύλες πέρα από το ασύρματο interface τους έχουν επιπρόσθετα ένα οπτικό interface για να συνδέονται επάνω στις οπτικές μονάδες του παθητικού οπτικού δικτύου. Η κάθε οπτική μονάδα μπορεί να εξυπηρετεί παραπάνω από μία πύλες. Ο διαμοιρασμός του εύρους ζώνης στις διαθέσιμες πύλες από τις ONUs γίνεται με Time Division Multiplexing. Οι τελικοί χρήστες (end-user) συνδέονται στο δίκτυο πρόσβασης μέσω των ασύρματων δρομολογητών. Όταν ένα χρήστης επιθυμεί να στείλει ένα πακέτο στην ανωφερή κατεύθυνση (upstream direction), το μεταδίδει με την ασύρματη συσκευή του στο πιο κοντινό διαθέσιμο ασύρματο δρομολογητή. Έπειτα, ο ασύρματος δρομολογητής προωθεί το πακέτο μέσω του 56

57 ασύρματου πλέγματος στην πιο κοντινή πύλη. Στη συνέχεια η πύλη στέλνει το πακέτο στην οπτική μονάδα, που είναι συνδεδεμένη, μέσω του οπτικού της interface. Όταν λάβει το πακέτο η οπτική μονάδα, το αποθηκεύει στο buffer της και το αποστέλλει στο OLT, αφού πρώτα αυτό της δεσμεύσει εύρος ζώνης στο ανωφερές κανάλι. Από εκεί το πακέτο μπορεί να προωθηθεί στο Διαδίκτυο και να φτάσει στον τελικό του παραλήπτη. Εικόνα 4.1. Αρχιτεκτονική υβριδικού ευρυζωνικού δικτύου πρόσβασης Στην κατωφερή κατεύθυνση (Downstream direction) η κίνηση αναμεταδίδεται (broadcast) προς όλες τις οπτικές μονάδες. Κάθε ONU είναι υπεύθυνη να παραλάβει μόνο τα πακέτα, που απευθύνονται σε αυτή, και να τα αποθηκεύσει στο buffer της. Στη συνέχεια, η ONU στέλνει το πακέτο μόνο στην πύλη - προορισμό. Η πύλη λαμβάνει το πακέτο από το οπτικό της interface και το αποθηκεύει στο buffer της. Όταν αποκτήσει πρόσβαση στο μέσο θα στείλει το πακέτο στον ασύρματο δρομολογητή για τον οποίο προορίζεται, και αυτός με την σειρά του θα προωθήσει το πακέτο στον τελικό χρήστη Ενεργειακός σχεδιασμός Η αρχιτεκτονική του υβριδικού δικτύου πρόσβασης παρουσιάζει ιεραρχική δομή πρόσβασης. Οι πύλες είναι το αρχικό σημείο συγκέντρωσης της κίνησης. Οι οπτικές μονάδες είναι το επόμενο επίπεδο στην ιεραρχία, ενώ το OLT βρίσκεται στο υψηλότερο επίπεδο και συνδέει το δίκτυο πρόσβασης με το υπόλοιπο Διαδίκτυο. Ο σχεδιασμός του συγκεκριμένου δικτύου προσφέρει ανοχή σε λάθη, αξιοπιστία, στιβαρότητα και υψηλή απόδοση. Με την 57

58 χρήση του ασύρματου πλέγματος ως προθάλαμο υπάρχει η δυνατότητα δρομολόγησης της κίνησης από εναλλακτικά μονοπάτια σε περίπτωση δυσλειτουργίας κάποιας οπτικής μονάδας ή κάποιου ασύρματου δρομολογητή. Επίσης, υπάρχει χάσμα στην χωρητικότητα εύρους ζώνης ανάμεσα στο οπτικό δίκτυο και στο ασύρματο πλέγμα. Το πλεονάζον εύρος ζώνης του οπτικού δικτύου προσφέρει την αξιοπιστία, ότι είναι δυνατόν η κίνηση, που θα προωθηθεί από εναλλακτικά μονοπάτια, να εξυπηρετηθεί. Πέρα από αυτά τα πλεονεκτήματα του δικτύου πρόσβασης σημαντική είναι η ευελιξία, που προσφέρει το ασύρματο πλέγμα, όσον αφορά την δρομολόγηση, η οποία μπορεί να αξιοποιηθεί για την εξοικονόμηση ενέργειας. Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο του δικτύου πρόσβασης είναι τα μοτίβα κίνησης. Ο φόρτος του δικτύου προέρχεται απευθείας από τους τελικούς χρήστες και όπως είναι λογικό υπάρχουν μεταπτώσεις στην κίνηση ανά περιοχή ανάλογα με την ώρα της ημέρας. Επίσης, το δίκτυο πρόσβασης σχεδιάζεται με στόχο να είναι ικανό να εξυπηρετήσει την κίνηση σε περίοδο υψηλού φόρτου. Άρα, είναι λογικό τις ώρες που υπάρχει χαμηλός φόρτος, κάποια μέρη του δικτύου να υπολειτουργούν. Συνοψίζοντας, για να σχεδιασθούν τοπολογίες με μειωμένη ενεργειακή κατανάλωση, πρέπει να υπάρχουν αρκετά πλεονάζοντα μονοπάτια, που μπορεί να ακολουθήσει ένα πακέτο για να φτάσει στον προορισμό του, και να υπάρχουν μεταπτώσεις στον φόρτο σε κάποιες περιοχές του δικτύου κατά την διάρκεια της ημέρας. Για αυτό τον λόγο πρέπει όλοι οι ασύρματοι δρομολογητές να διατηρηθούν ενεργοί, έτσι ώστε να διατηρηθεί η ευελιξία και να επιδιωχθεί η εξοικονόμηση ενέργειας από την αδρανοποίηση των οπτικών μονάδων, που υπολειτουργούν Αλγόριθμος αδρανοποίησης Η τυπική κατανάλωση ενέργειας από την οπτική μονάδα κατά την διάρκεια ενεργής κατάστασης είναι 10 W. Εκτιμάται, ότι κατά την αδρανοποίηση της οπτικής μονάδας, η κατανάλωση ενέργειας μειώνεται στο 1 W. Το OLT μπορεί να χρησιμοποιήσει ένα κεντρικοποιημένο μηχανισμό αδρανοποίησης, έτσι ώστε να απενεργοποιεί τις οπτικές μονάδες, που έχουν πολύ χαμηλό φόρτο. Για αυτό τον σκοπό το OLT πρέπει να διατηρεί ένα όριο ενεργοποίησης (High Watermark) και ένα όριο απενεργοποίησης (Low Watermark). Τα βήματα του αλγορίθμου απενεργοποίησης είναι τα παρακάτω: Το OLT αποδίδει τιμές στα HW και LW. Ανά τακτά χρονικά διαστήματα το OLT ελέγχει το φόρτο της κάθε ONU, ανάλογα με τα bytes που λαμβάνει από αυτές. Για κάθε ONU: o Αν ο φόρτος είναι μικρότερος από το LW, απενεργοποίησε την ONU. 58

59 o o Αν ο φόρτος είναι μεγαλύτερος από το HW, ενεργοποίησε μία ανενεργή ONU. Αλλιώς διατήρησε την ONU ενεργή. Από την στιγμή που θα απενεργοποιηθεί μία οπτική μονάδα, τότε όλη η κίνηση, που προοριζόταν για αυτή, θα δρομολογηθεί από εναλλακτικά μονοπάτια σε κάποια άλλη οπτική μονάδα [10] Αλγόριθμος ενεργειακής δρομολόγησης Η ισορροπία του φόρτου (load balancing) ανάμεσα στους κόμβους του δικτύου, είναι ένας σωστός αντικειμενικά στόχος, όσο αφορά την απόδοση, καθώς οδηγεί στην χρησιμοποίηση ολόκληρου του δικτύου και αποφεύγεται έτσι η συσσώρευση της κίνησης σε κάποια σημεία. Παρόλα αυτά, σε περιόδους χαμηλού φόρτου μπορεί να οδηγήσει στην μη αποδοτική χρησιμοποίηση των συσκευών, καθώς πολλές από αυτές θα υπολειτουργούν. Έχοντας ως στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας, η πιο λογική προσέγγιση είναι να δρομολογείται η κίνηση από τα κανάλια, που έχουν τον περισσότερο φόρτο, έτσι ώστε να συλλέγεται όλη η κίνηση σε ελάχιστους κόμβους και να υπάρχουν περισσότερες πιθανότητες απενεργοποίησης κόμβων. Κύριος στόχος είναι ο αλγόριθμος δρομολόγησης να επιλέγει το μονοπάτι, που οδηγεί στους κόμβους με τον περισσότερο φόρτο. Για να επιτευχθεί αυτό κατά τον υπολογισμό των μονοπατιών, θα πρέπει να συνυπολογίζεται ως βάρος του κάθε hop η υπολειπόμενη χωρητικότητα (residual capacity) του κάθε συνδέσμου (link). Επειδή όμως είναι πολύ δύσκολο να γνωρίζει κάθε κόμβος την υπολειπόμενη χωρητικότητα του κάθε συνδέσμου της τοπολογίας, εφαρμόζεται μια πιο ρεαλιστική μέθοδος. Σε κάθε πακέτο που στέλνεται στο downstream το OLT θα ενθυλακώνει ως πληροφορία την υπολειπόμενη χωρητικότητα όλων των οπτικών μονάδων, οι οποίες είναι συνδεδεμένες επάνω του. Η τιμή της υπολειπόμενης χωρητικότητας κυμαίνεται από το 0 ως το 10, με το 0 να αντιπροσωπεύει μηδενική υπολειπόμενη χωρητικότητα και το 10 να υποδεικνύει ότι υπάρχει μηδενικός φόρτος στην ONU. Έστω ότι η τιμή της υπολειπόμενης χωρητικότητας είναι ακέραια, τότε απαιτούνται 4 bits για την κάθε ONU. Για παράδειγμα σε μία τοπολογία με τέσσερις ONUs η επιβάρυνση ανά πακέτο είναι 2 bytes, δηλαδή πολύ μικρότερη σε σχέση με την επιβάρυνση που απαιτείται για να γνωρίζουν όλοι οι ασύρματοι κόμβοι τις υπολειπόμενες χωρητικότητες των συνδέσμων όλου του δικτύου. Οπότε, κάθε φορά που θα λαμβάνει ένας ασύρματος δρομολογητής πακέτο από μία πύλη, αυτό το πακέτο θα περιέχει μέσα του αυτή την πληροφορία. Άρα, ένας ενεργός ασύρματος δρομολογητής, που λαμβάνει πακέτα, θα ενημερώνεται συνεχώς για την υπολειπόμενη χωρητικότητα της κάθε ONU. 59

60 Κάθε φορά που κάποιος ασύρματος δρομολογητής επιθυμεί να στείλει ένα πακέτο στο Διαδίκτυο, θα υπολογίζει πρώτα τις αποστάσεις σε hops από όλες τις πύλες ή μπορεί να τις γνωρίζει εκ των προτέρων. Προκειμένου να αποφασίσει σε ποια πύλη θα δρομολογήσει το πακέτο, υπολογίζει το συνολικό κόστος διαδρομής για κάθε πύλη και επιλέγει αυτή με το μικρότερο κόστος. Το συνολικό κόστος διαδρομής θα είναι ίσο με τα hops, που απαιτούνται για να φτάσει το πακέτο στην πύλη, συν την υπολειπόμενη χωρητικότητα της ONU, πάνω στην οποία είναι συνδεδεμένη η πύλη. Με αυτό τον τρόπο, όταν ένας ασύρματος δρομολογητής απέχει x hops από την πύλη Α και x + 1 hops από την πύλη Β, αν η πύλη Β έχει μικρότερο υπολειπόμενο φόρτο από την πύλη Α, τουλάχιστον κατά δύο μονάδες, τότε ο δρομολογητής θα διαλέξει την πύλη Β, παρόλο που βρίσκεται σε μεγαλύτερη απόσταση. Έτσι, θα μπορεί να μειώνεται συνεχώς ο φόρτος μιας οπτικής μονάδας, μέχρι να πέσει κάτω από το όριο απενεργοποίησης, αρκεί οι γειτονικές οπτικές μονάδες να έχουν διαφορά φόρτου τουλάχιστον 20 %. Τα βήματα του αλγορίθμου ενεργειακής δρομολόγησης είναι τα εξής: Κάθε ασύρματος δρομολογητής αποθηκεύει τις αποστάσεις σε hops από όλες τις πύλες του δικτύου. Όταν ο ασύρματος δρομολογητής θέλει να στείλει ένα πακέτο υπολογίζει το συνολικό κόστος διαδρομής προς όλες τις πύλες, προσθέτοντας την απόσταση από την πύλη συν την υπολειπόμενη χωρητικότητα της ONU, στην οποία συνδέεται η πύλη. Ο ασύρματος δρομολογητής επιλέγει το μονοπάτι με το μικρότερο κόστος Δημιουργία προσομοιωτή Για να υλοποιηθεί ο προσομοιωτής του δικτύου πρόσβασης χρησιμοποιήθηκε ο κώδικας των κλάσεων από τις ελεγμένες προσομοιώσεις των προτύπων, που παρουσιάστηκαν στο αντίστοιχο υποκεφάλαιο του κεφαλαίου 2 και 3. Επιπλέον, δημιουργήθηκε η κλάση gateway, η οποία προσομοιώνει τις λειτουργίες μιας πύλης. Ακόμα, προστέθηκε λειτουργικότητα στην κλάση των ασύρματων κόμβων, δημιουργώντας μία συνάρτηση δρομολόγησης. Η συνάρτηση routing() υπολογίζει τις αποστάσεις του ασύρματου κόμβου από τις πύλες και επιλέγει την πύλη, στην οποία θα δρομολογήσει το πακέτο, ανάλογα με το ποιους αλγορίθμους εφαρμόζει (από αυτούς που προαναφέρθηκαν). 60

61 Τοπολογία του δικτύου Το δίκτυο αποτελείται από 40 ασύρματους δρομολογητές, 8 πύλες, 4 ONUs, 1 splitter και 1 OLT. Σε κάθε οπτική μονάδα συνδέονται δύο πύλες, ενώ κάθε ασύρματος δρομολογητής συνδέεται μόνο σε μία πύλη. Ο ρυθμός μετάδοσης για όλες τις ασύρματες μεταδόσεις είναι 54 Mbps. Ο ρυθμός μετάδοσης στο Downstream του παθητικού οπτικού δικτύου είναι Gbit/s, ενώ στο Upstream είναι Gbit/s. Ο ρυθμός μετάδοσης ανάμεσα σε κάθε πύλη και κάθε οπτική μονάδα είναι Gbit/s και προς τις δύο κατευθύνσεις. Εικόνα 4.2. Τοπολογία υβριδικού ευρυζωνικού δικτύου πρόσβασης Πύλη Η κλάση που προσομοιώνει την πύλη υλοποιεί όλες τις λειτουργίες, που υπάρχουν στην κλάση του ασύρματου κόμβου (για το ασύρματο interface) και όλες τις λειτουργίες, που υπάρχουν στην κλάση της οπτικής μονάδας (για το οπτικό interface). Η πύλη διαφέρει σε σχέση με την ONU στον τρόπο με τον οποίο αποκτά πρόσβαση στο μέσο. Σε αντίθεση με την ONU, η οποία περιμένει να της παραχωρηθεί εύρος ζώνης στο ανωφερές κανάλι από το OLT, η πύλη λειτουργεί βασισμένη στην μέθοδο TDM, δηλαδή μπορεί να στέλνει δεδομένα κατά την διάρκεια ενός χρονικού διαστήματος, το οποίο επαναλαμβάνεται περιοδικά. Επιπρόσθετα, υλοποιεί λειτουργίες μετάφρασης ανάμεσα στα πακέτα που χρησιμοποιούνται στο παθητικό οπτικό δίκτυο και στο ασύρματο πλέγμα. 61

62 4.6. Αποτελέσματα προσομοιωτή Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αφορούν την παραπάνω τοπολογία της εικόνας 4.2. Οι προσομοιώσεις διήρκεσαν 10 λεπτά χρόνου προσομοίωσης. Έγιναν προσομοιώσεις χωρίς εξοικονόμηση ενέργειας (regular mode), με εξοικονόμηση ενέργειας χρησιμοποιώντας τον 1 ο αλγόριθμο εξοικονόμησης (power save mode) και με εξοικονόμηση ενέργειας χρησιμοποιώντας τον 1 ο και τον 2 ο αλγόριθμο εξοικονόμησης (energy efficiency routing). Διάγραμμα 4.3. Ποσοστό ενεργοποιημένων ασύρματων δρομολογητών σε κάθε προφίλ κίνησης για κάθε περιοχή Τα προφίλ κίνησης σε κάθε περιοχή συνίστανται από τον αριθμό των ενεργών ασύρματων δρομολογητών, δηλαδή των δρομολογητών που έχουν πακέτα προς αποστολή, και τον μέσο φόρτο ανά ενεργό ασύρματο δρομολογητή για κάθε περιοχή. Η κάθε περιοχή έχει συνολικά μία ONU, δύο πύλες και 10 ασύρματους δρομολογητές. Οι μη ενεργοί δρομολογητές δεν παράγουν δικό τους φόρτο, αλλά μπορεί να μετάγουν φόρτο γειτονικών δρομολογητών προς κάποια πύλη. Στο διάγραμμα 4.3. φαίνεται το ποσοστό των ενεργοποιημένων ασύρματων δρομολογητών και στο διάγραμμα 4.4. φαίνεται ο μέσος φόρτος ανά ενεργό ασύρματο δρομολογητή. Οι τιμές του μέσου φόρτου και των ενεργών ασύρματων δρομολογητών ανά περιοχή και ανά προφίλ κίνησης παρουσιάζονται στον πίνακα

63 Διάγραμμα 4.4. Μέσος φόρτος ανά ενεργό ασύρματο δρομολογητή σε κάθε προφίλ κίνησης για κάθε περιοχή Traffic profile Active routers(a): Active routers(b): Active routers(c): Active routers(d): Avg Load (A) Mbps: Avg Load (B) Mbps: Avg Load (C) Mbps: Avg Load (D) Mbps: Traffic Profile Active routers(a): Active routers(b): Active routers(c): Active routers(d): Avg Load (A) Mbps: Avg Load (B) Mbps: Avg Load (C) Mbps: Avg Load (D) Mbps: Πίνακας 4.5. Προφίλ κίνησης του δικτύου. 63

64 Ποσοστό απενεργοποίησης οπτικών μονάδων Στο διάγραμμα 4.6. εμφανίζεται το ποσοστό απενεργοποίησης των οπτικών μονάδων. Όπως είναι λογικό στην κατάσταση regular mode του δικτύου δεν απενεργοποιείται καμία ONU για κανένα προφίλ κίνησης. Στην κατάσταση power save mode απενεργοποιούνται μόνο όσες ONUs έχουν φόρτο κάτω από το όριο απενεργοποίησης, το οποίο έχει οριστεί στο 5%. Παρατηρείται, ότι στα προφίλ 6 και 8 δεν υπάρχει καμία περιοχή που να έχει φόρτο κάτω από το όριο απενεργοποίησης. Αντίθετα, στο προφίλ 7 οι τρεις από τις τέσσερις οπτικές μονάδες είχαν φόρτο μικρότερο από 5%, για αυτό τον λόγο επιτυγχάνεται τόσο μεγάλο ποσοστό απενεργοποίησης. Διάγραμμα 4.6. Ποσοστό απενεργοποίησης των οπτικών μονάδων Στην κατάσταση energy efficiency routing εμφανίζονται καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με την κατάσταση power save. Αυτό συμβαίνει, γιατί η ενεργειακή δρομολόγηση αναγκάζει του κόμβους, που έχουν χαμηλό φόρτο, ακόμα και αν δεν είναι κάτω από το 5%, να δρομολογήσουν την κίνηση τους μέσω οπτικών μονάδων με μεγαλύτερο φόρτο. Με αυτό τον τρόπο, πολλές περιοχές που είχαν χαμηλό φόρτο, επειδή δρομολογούν την κίνηση τους μέσω άλλων οπτικών μονάδων, μειώνουν τον φόρτο τους ακόμα περισσότερο, με αποτέλεσμα να απενεργοποιούνται μετά από κάποια στιγμή. Όπως φαίνεται στο προφίλ 8 δεν απενεργοποιείται καμία ONU, αυτό συμβαίνει, γιατί το προφίλ 8 παράγει μεγάλο φόρτο σε κάθε περιοχή, χωρίς να αφήνει περιθώρια για εξοικονόμηση ενέργειας. Στο προφίλ 7 το 64

65 energy efficiency routing εμφανίζει τα ίδια αποτελέσματα με το power save mode, γιατί οι 3 περιοχές είχαν από την αρχή της προσομοίωσης φόρτο μικρότερο του 5% Ποσοστό χρησιμοποίησης οπτικών μονάδων Στο διάγραμμα 4.7. εμφανίζεται το ποσοστό χρησιμοποίησης των οπτικών μονάδων. Όταν απενεργοποιείται μία ONU αυξάνεται η χρησιμοποίηση του δικτύου, επειδή το δίκτυο πρόσβασης μετάγει το ίδιο ακριβώς ποσό φόρτου χρησιμοποιώντας λιγότερες οπτικές μονάδες. Διάγραμμα 4.7. Ποσοστό χρησιμοποίησης των οπτικών μονάδων Είναι εμφανής η βελτίωση της χρησιμοποίησης στην περίπτωση του power save mode, ενώ στην περίπτωση του energy efficiency routing η αύξηση της χρησιμοποίησης είναι πολύ μεγαλύτερη σε κάποιες περιπτώσεις. Αυτό συμβαίνει, γιατί το energy efficiency routing καταφέρνει να απενεργοποιήσει μεγαλύτερο ποσοστό οπτικών μονάδων. Στο προφίλ κίνησης 8 δεν είναι δυνατό να απενεργοποιηθεί κάποια οπτική μονάδα, για αυτό τον λόγο η χρησιμοποίηση και στις τρεις καταστάσεις είναι η ίδια Μέσο μέγεθος μονοπατιού Στο διάγραμμα 4.8. εμφανίζεται το μέσο μέγεθος μονοπατιού, δηλαδή τα hops, που απαιτούνται, κατά μέσο όρο για να φτάσει ένα πακέτο στον προορισμό του. Στην περίπτωση του regular mode, η κίνηση μετάγεται συνέχεια από την ίδια πύλη, με αποτέλεσμα τα πακέτα να χρειάζονται 1 hop μέχρι την πύλη, 2 hop μέχρι την οπτική μονάδα και 3 hop για να 65

66 φτάσουν στο OLT. Στο power save mode υπάρχει ελάχιστη κίνηση στις περιοχές που απενεργοποιήθηκε η οπτική μονάδα, με αποτέλεσμα αυτή η κίνηση να δρομολογείται μέσω μεγαλύτερων μονοπατιών προς άλλες πύλες. Για αυτό τον λόγο εμφανίζεται μεγαλύτερο μέγεθος μονοπατιού. Διάγραμμα 4.8. Μέσο μέγεθος μονοπατιού Στην περίπτωση του energy efficiency routing το μέσο μέγεθος μονοπατιού είναι αρκετά μεγαλύτερο, αυτό συμβαίνει διότι απενεργοποιούνται οπτικές μονάδες από περισσότερες περιοχές, άρα η κίνηση που μετάγεται μέσω εναλλακτικών διαδρομών σε άλλες πύλες είναι μεγαλύτερη, για αυτό αυξάνεται και το μέσο μέγεθος μονοπατιού. Παρόλα αυτά, δεν είναι σημαντική η επιβάρυνση, που εισάγεται από τις ενεργειακές τεχνικές, αν συνυπολογιστεί το ενεργειακό κέρδος, που επιτυγχάνεται Μέση καθυστέρηση μετάδοσης Στο διάγραμμα 4.9. εμφανίζεται η μέση καθυστέρηση μετάδοσης, δηλαδή ο χρόνος, που απαιτείται κατά μέσο όρο από την στιγμή δημιουργίας του πακέτου μέχρι την άφιξη στον προορισμό του. Ακολουθείται η ίδια λογική με το μέσο μέγεθος μονοπατιού. Στην περίπτωση του power save mode, παρατηρείται μία αύξηση στην μέση καθυστέρηση μετάδοσης, γιατί κάποια πακέτα δρομολογούνται από περιοχές, που έχει απενεργοποιηθεί η οπτική μονάδα, σε περιοχές με μεγαλύτερο φόρτο. Επειδή τα πακέτα διασχίζουν μεγαλύτερη απόσταση για να φτάσουν στον προορισμό τους, εισάγεται ένα ποσό επιβάρυνσης στην μέση καθυστέρηση μετάδοσης. Αντίστοιχα στην περίπτωση του energy efficiency routing, επειδή 66