ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ -ΔΙΚΤΥΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ- Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ -ΔΙΚΤΥΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ- Διπλωματική Εργασία Σχεδίαση και Αξιολόγηση Απόδοσης Πρωτοκόλλου MAC με Έλεγχο Ισχύος σε Ασύρματα Ad-Hoc Δίκτυα Καπόνιας Αλέξανδρος Α.Ε.Μ:565 Επιβλέπων Καθηγητής: Νικοπολιτίδης Πέτρος, Επίκουρος Καθηγητής Θεσσαλονίκη, Ιούνιος

2 2

3 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Νικοπολιτίδη Πέτρο, επίκουρο καθηγητή του τμήματος Πληροφορικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, για την υποστήριξη και καθοδήγησή του κατά την διάρκεια της μελέτης και της συγγραφής αυτής της διπλωματικής εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσοι με βοήθησαν και με στήριξαν κατά την διάρκεια του μεταπτυχιακού προγράμματος, την οικογένειά μου, τους καθηγητές και τους συμφοιτητές μου. 3

4 4

5 Περιεχόμενα Ευχαριστίες...3 Λίστα Σχημάτων...7 Περίληψη...8 Δομή Διπλωματικής Εργασίας...10 Κεφάλαιο 1ο Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα(WLANs) Εισαγωγικά Γενική περιγραφή του IEEE πρωτοκόλλου Ιστορική Αναδρομή IEEE a IEEE b IEEE g IEEE n IEEE ac IEEE ad Αρχιτεκτονική του IEEE Αδόμητα Δίκτυα(ad-hoc networks) Δίκτυα Υποδομής(infrastructure networks) Υπηρεσίες Ασυρμάτου Δικτύου του IEEE Τα επίπεδα του προτύπου ΙΕΕΕ Φυσικό επίπεδο Φυσικό επίπεδο Υπερύθρων(Infrared-IR) Φυσικό επίπεδο (FHSS) Φυσικό επίπεδο (DSSS) Φυσικό επίπεδο (OFDM) Υποεπίπεδο MAC Είδη Πλαισίων(Frames) Κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού(dcf) Σημειακή συνάρτηση συντονισμού(pcf) Διαπλαισιακά Χρονικά Διαστήματα(IFS) Carrier Sensing(Ανίχνευση Ασύρματου Μέσου) CSMA/CA Μηχανισμός RTS-CTS Διαδικασία Backoff(τυχαία υποαναχώρηση)...46 Κεφάλαιο 2ο Πρωτόκολλο MAC με χρήση του Έλεγχου Ισχύος Προβλήματα Ασυρμάτων Τοπικών Δικτύων Πρόβλημα Κρυμμένου Τερματικού(Hidden Node Problem) Πρόβλημα Εκτεθειμένου Τερματικού(Exposed Node Problem) Λύσεις των Προβλημάτων Κρυμμένου και Εκτεθειμένου Τερματικού Power-Controlled Reduction of Exposed Terminals in Ad-Hoc Wireless LANs Η λειτουργία του πρωτοκόλλου με Έλεγχο Ισχύος Sender-Receiver

6 2.5.3.Γειτονικοί κόμβοι του παραλήπτη(nr) Γειτονικοί κόμβοι του αποστολέα(ns) Περιγραφή προσομοίωσης του πρωτοκόλλου ελέγχου ισχύος...58 Κεφάλαιο 3ο Προσομοίωση Ο προσομοιωτής δικτύων Network Simulator Χαρακτηριστικά της Προσομοίωσης των εξεταζόμενων Πρωτοκόλλων Αποτελέσματα Προσομοίωσης Σενάριο προσομοίωσης 10 κόμβων: Σενάριο προσομοίωσης 20 κόμβων: Σενάριο προσομοίωσης 30 κόμβων:...70 Κεφάλαιο 4ο Συμπεράσματα...74 Βιβλιογραφία

7 Λίστα Σχημάτων Σχήμα 1: Ασύρματο Δίκτυο...12 Σχήμα 2 : Μοντέλο αναφοράς OSI...14 Σχήμα 3: α.συνάθροιση A-MSDU, β. Συνάθροιση A-MPDU...22 Σχήμα 4: Συνάθροιση δύο επιπέδων...23 Σχήμα: 5: ac...25 Σχήμα: 6: Ελευθερες Φασματικες Περιοχες...27 Σχήμα: 7 Basic Service Set BSS...29 Σχήμα: 8 Independent BSS IBSS...29 Σχήμα 9: Δίκτυο Υποδομής...31 Σχήμα 10: Επίπεδα του προτύπου Σχήμα 11: Διαστρωμάτωση του προτύπου Σχήμα 12: Φυσικό Στρώμα του Σχήμα 13: Γενική μορφή πλαισίου Σχήμα 14: Μορφή πλαισίου υποστρώματος PLCP στο Σχήμα 15: Μορφή υποστρώματος Σχήμα 16: Πλαίσια...41 Σχήμα 17: μετάδοση MPDU με RTS-CTS...46 Σχήμα 18: Πρόβλημα Κρυμμένου Τερματικού...49 Σχήμα 19: Πρόβλημα Εκτεθειμένου Τερματικού...50 Σχήμα 20: Πρωτόκολλο MAC με Έλεγχο Ισχύος...55 Σχήμα 21: Οι κόμβοι στον NS...63 Σχήμα 22: Βασική Αρχιτεκτονική NS...64 Σχήμα 23:Throughput vs Offered Load(10 κόμβοι)...66 Σχήμα 24:Total Delay vs Throughput(10 κόμβοι)...67 Σχήμα 25:Throughput vs Offered Load(20 κόμβοι)...68 Σχήμα 26:Total Delay vs Throughput(20 κόμβοι)...69 Σχήμα 27:Throughput vs Offered Load(30 κόμβοι)...70 Σχήμα 28:Total Delay vs Throughput(30 κόμβοι)...71 Σχήμα 29:Throughput vs Number of nodes

8 Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία αναφέρεται στο πεδίο των ασυρμάτων ad-hoc δικτύων και έχει ως στόχο τη σύγκριση του πρωτοκόλλου MAC του προτύπου με ένα πρωτόκολλο MAC, το οποίο βασίζεται στον έλεγχο ισχύος. Τα εκτεθειμένα τερματικά παίζουν καθοριστικό ρόλο στην απόδοση ενός ασυρμάτου ad hoc δικτύου. Το MAC πρωτόκολλο δεν εισάγει μεθόδους για την μείωση του πλήθους των τερματικών που εκτίθενται στην μετάδοση των CTS μηνυμάτων από τον δέκτη. Στην παρούσα εργασία, το MAC πρωτόκολλο που μελετάμε, κάνει χρήση των μηχανισμών ελέγχου ισχύος, κι έτσι, μειώνεται η ποσότητα των εν λόγω τερματικών. Έτσι λοιπόν, αξιοποιείται καλύτερα το διαθέσιμο εύρος ζώνης, αυξάνοντας την πιθανότητα για παράλληλες μεταδόσεις, σε περιπτώσεις όπου το MAC πρωτόκολλο επιτρέπει να γίνει μια μετάδοση τη φορά. Για τον σκοπό της σύγκρισης αυτών των δύο πρωτοκόλλων αναπτύχθηκαν προσομοιώσεις, στον προσομοιωτή δικτύων Network Simulator 2, σε διάφορες τοπολογίες δικτύων, ώστε να έχουμε μια συνολική εικόνα για τις σχέσεις Offered Load, Throughput και Total Delay, του κάθε πρωτοκόλλου. Abstract This thesis refers to the field of wireless ad-hoc networks and aims to compare the MAC protocol of standard with a MAC protocol which is based on the method of power capturing. Exposed terminals play a crucial role in the throughput of a wireless ad-hoc network. The MAC protocol introduces no methods for decreasing the amount of the terminals exposed to the transmission of the CTS message by the receiver. In this thesis, the MAC protocol, using power capturing mechanisms, decreases the amount of such terminals. This allows for the better utilization of the available bandwidth via increasing the chances for parallel transmissions in situations where the MAC protocol of the standard would allow for only one transmission to occur at a time. For the comparison of these two protocols developed simulations in Network Simulator 2, on different network topologies, to acquire a complete view of the relation between Offered Load, Throughput and Total Delay of each protocol. 8

9 9

10 Δομή Διπλωματικής Εργασίας Η παρούσα διπλωματική εργασία χωρίζεται σε τέσσερα κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1, γίνεται μια γενικότερη αναφορά στον τομέα των ασυρμάτων δικτύων, παρουσιάζεται το πρωτόκολλο MAC του προτύπου και αναλύεται το φυσικό επίπεδο καθώς και το επίπεδο πρόσβασης στο μέσο(mac). Στο Κεφάλαιο 2, αναλύεται η προσέγγιση με τον μηχανισμό του Ελέγχου Ισχύος. Στο Κεφάλαιο 3, έχουμε την ανάλυση του προσομοιωτή που χρησιμοποιήθηκε για το MAC πρωτόκολλο και για το πρωτόκολλο ελέγχου ισχύος. Έπειτα, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσωμοιώσεων των δύο πρωτοκόλλων καθώς γίνεται και η σύγκρισή τους με βάση τις μετρικές throughput, offered load και total delay. Τέλος, στο Κεφάλαιο 4, παρουσιάζονται τα γενικά συμπεράσματα της διπλωματικής εργασίας και δίνεται επίσης, η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε για την προσέγγιση του αντικειμένου της. 10

11 11

12 Κεφάλαιο 1ο Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα(WLANs) 1.1.Εισαγωγικά Ένα ασύρματο τοπικό δίκτυο είναι τοπικό δίκτυο υπολογιστικών συστημάτων που καλύπτει μια συγκεκριμένη γεωγραφικά περιοχή, παρέχοντας στους χρήστες του την κατάλληλη τεχνολογική υποδομή ώστε να μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους χωρίς την χρήση καλωδίωσης, όπως συμβαίνει στα ενσύρματα δίκτυα. Έτσι, με την χρήση του αέρα, ως επικοινωνιακό μέσο, οι χρήστες του ασυρμάτου δικτύου επικοινωνούν και διαμοιράζονται δεδομένα, κινούμενοι ελεύθερα στην περιοχή εξυπηρέτησης του[1][3][4]. Ένα παράδειγμα ενός ασύρματου δικτύου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα(σχήμα 1). Σχήμα 1: Ασύρματο Δίκτυο 12

13 Τα ασύρματα δίκτυα γενικά, έχουν διεισδύσει σε όλους τους τομείς της ζωής μας και έχουν σηματοδοτήσει μια νέα εποχή στις επικοινωνίες, καταλαμβάνοντας σήμερα, ένα μεγάλο μερίδιο της αγοράς των ηλεκτρονικών υπολογιστών στον τομέα της δικτύωσης. Ακόμη, αποτελούν ένα συνεχώς εξελισόμενο αντικείμενο στον ερευνητικό τομέα, καθώς υπόσχονται πολλά στον τομέα της διασύνδεσης των υπολογιστών αλλά και άλλων συσκευών που μπορούν να υιοθετήσουν αυτή την τεχνολογία. Μπορούν έυκολα, γρήγορα και φθηνά να στηθούν και να επεκταθούν χωρίς να απαιτείται καλωδίωση ή κάποιος ιδιαίτερος εξοπλισμός. Σε αντίθεση με τα ενσύρματα δίκτυα που απαιτούν μία συγκεκριμένη υποδομή, και κατά συνέπεια είναι ιδιαίτερα δύσκολη και ακριβή η εγκατάσταση, συντήρηση και επέκταση τους. Με άλλα λόγια τα ασύρματα δίκτυα μπορούν εύκολα να προσαρμόζονται δυναμικά στις απαιτήσεις των χρηστών τους. Πολύ σημαντική είναι επίσης, η δυνατότητα χρήσης ασυρμάτων δικτύων σε συνδυασμό με τα υπάρχοντα ενσύρματα δίκτυα. Έτσι, μπορεί κανείς να συνεχίσει να χρησιμοποιεί το ήδη υπάρχον ενσύρματο δίκτυο και ταυτόχρονα να το επεκτείνει όπου χρειάζεται με ένα ασύρματο. Με αυτόν τον τρόπο, οι χρήστες ενός ασύρματου δικτύου μπορούν να αποκτούν γρήγορη πρόσβαση μέσω μιας ενσύρματης υποδομής σε τοπικές και απομακρυσμένες βάσεις δεδομένων. Οι χρήσεις σήμερα των ασυρμάτων δικτύων είναι αμέτρητες. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα σπίτι ή μια επιχείρηση, για να διασύνδεσουν διαφόρες συσκεύες, όπως υπολογιστές, τηλεοράσεις, εκτυπωτές, συστήματα παρακολούθησης και ασφαλείας. Μπορούν, επίσης, να χρησιμοποιηθούν σε δημόσιους χώρους, σε πανεπιστήμια, βιβλιοθήκες, αεροδρόμια, νοσοκομεία ξενοδοχεία, και εμπορικά κέντρα. Τέλος, τα ασύρματα τοπικά δίκτυα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιπτώσεις άμεσης εξυπηρέτησης, όπως για παράδειγμα σε στρατιωτικές επιχειρήσεις, σε συνέδρια, σε αθλητικές διοργανώσεις, σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης(σε χώρους διάσωσης από καταστροφές, σεισμούς). Τα τελευταία ονομάζονται αδόμητα δίκτυα (ad hoc), και θεωρούνται ως τα δίκτυα τα οποία στήνονται γρήγορα και άμεσα χωρίς την ανάγκη κάποιου κεντρικού σημείου εξυπηρέτησης ή σημείου πρόσβασης για να λειτουργήσουν[4][11][14]. Τα αδόμητα δίκτυα αποτελούν και το αντικείμενο μελέτης της παρούσας εργασίας. Το πρώτο πρότυπο που επίσημα αναφερόταν στα ασύρματα τοπικά δίκτυα ήταν το IEEE Αυτό το πρότυπο έχει συνεισφέρει σε μεγάλο βαθμό στον τομέα της ασύρματης επικοινωνίας των υπολογιστών και έχουν κατασκευαστεί πολλά προϊόντα, που χρησιμοποιούνται επιτυχώς σε πολλές εφαρμογές της. Παρακάτω, θα μελετήσουμε αναλυτικότερα το ΙΕΕΕ

14 1.2.Γενική περιγραφή του IEEE πρωτοκόλλου Η ανάπτυξη του IEEE έχει ως στόχο να οριστεί η λειτουργία του επιπέδου ελέγχου πρόσβασης στο μέσο(mac) καθώς και του φυσικού επιπέδου(phy) για την ασύρματη σύνδεση μεταξύ σταθερών και φορητών συσκευών-σταθμών. Πρόκειται για μια επέκταση του προτύπου(ενσύρματη δικτύωση) στην ασύρματη περιοχή διασυνδέοντας μεταξύ τους φορητούς και μετακινούμενους σταθμούς[1][2][5]. Έτσι λοιπόν, η εφαρμογή αυτού του πρωτοκόλλου γίνεται στα ασύρματα τοπικά δίκτυα(wlans). Όπως όλα τα πρότυπα 802 της IEEE, έτσι και το επικεντρώνεται στα δύο χαμηλότερα επίπεδα του μοντέλου διαστρωμάτωσης OSI (Open System Interconnection)[23][28], δηλαδή στο φυσικό επίπεδο (Physical Layer PHY) και στο υποεπίπεδο MAC (Medium Access Control) του επιπέδου ζεύξης δεδομένων (Data Link Layer), όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα(σχήμα 2): Σχήμα 2: Μοντέλο αναφοράς OSI 14

15 1.3.Ιστορική Αναδρομή Το της IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) σχεδιάστηκε το 1985 σύμφωνα με τους κανόνες της Ομοσπονδιακής Επιτροπής Επικοινωνιών των Η.Π.Α (FFC). Το 1991 ξεκίνησε ο σχεδιασμός του hiperlan από το ETSI(European Telecommunications Standards Institute), ενός προτύπου, το οποίο εγκρίθηκε το 1996, και θα μπορούσε να θεωρηθεί ως η Ευρωπαϊκή απάντηση στο πετυχαίνοντας μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων. Το αποτελεί το πρώτο πρότυπο για ασύρματη δικτύωση και ακολουθείται από τα περισσότερα ασύρματα δίκτυα μέχρι και σήμερα[1][2]. Στην συνέχεια δημιουργήθηκαν υποπρότυπα του ΙΕΕΕ , όπως το ΙΕΕΕ a, IEEE b, IEEE g, IEEE n, ΙΕΕΕ ac, ΙΕΕΕ ad με αρκετές βελτιώσεις και επιπλέον λειτουργίες. Πρόκειται για την απόρροια επιστημονικών ερευνών των μελών της ομάδας εργασίας του IEEE, που συνεργάστηκαν για να φέρουν σε πέρας την προτυποποίηση των προσπαθειών τους. Σήμερα τα ασύρματα δίκτυα που βασίζονται σε αυτήν την οικογένεια προτύπων είναι τα πλέον διαδεδομένα, ενώ κυκλοφορεί μεγάλη ποικιλία σχετικών προϊόντων στην αγορά. Με άλλα λόγια το πρότυπο αυτό θέτει το πλαίσιο για μια προτυποποιημένη ασύρματη δικτυακή επικοινωνία ευρείας ζώνης IEEE a To a αποτελεί μια νεότερη προδιαγραφή για το, επόμενης γενιάς επιχειρηματικής κατηγορίας, ασύρματο LAN[28][2]. Σε σύγκριση με το b, όπως θα δούμε παρακάτω, το a έχει τα πλεονεκτήματα μεγαλύτερης ανοσίας στις παρεμβολές και μεγαλύτερης επεκτασιμότητας (scalability). Επιπλέον μπορεί να παρέχει πολύ υψηλότερες ταχύτητες, μέχρι και 54 Mbps. Το a λειτουργεί στη UNII (Unlicensed National Information Infrastructure, μη αδειοδοτημένη εθνική υποδομή πληροφορίας) ζώνη των 5- GHz και καταλαμβάνει 300 MHz εύρος ζώνης (bandwidth). Η FCC (Federal Communications Committee ομοσπονδιακή επιτροπή τηλεπικοινωνιών των ΗΠΑ) έχει διαιρέσει το σύνολο των 300 MHz σε τρεις ξεχωριστούς τομείς των 100 MHz, κάθε έναν με μια διαφορετικά ρυθμισμένη μέγιστη ισχύ μετάδοσης. Η "χαμηλή" ζώνη λειτουργεί μεταξύ 15

16 5,15 και 5,25 GHz, με μέγιστη ισχύ εξόδου 50 mw. Η "μέση" ζώνη λειτουργεί μεταξύ 5,25 και 5,35 GHz, με μέγιστη ισχύ 250 mw. Η "υψηλή" ζώνη λειτουργεί μεταξύ και GHz, με μέγιστη ισχύ 1 W. Η χαμηλή και μέση ζώνη είναι καταλληλότερες για ασύρματη μετάδοση στο εσωτερικό κτιρίων, ενώ η υψηλή ζώνη είναι καταλληλότερη για τη μετάδοση μεταξύ κτιρίων. Η ζώνη U- NII είναι λιγότερο κορεσμένη από την ISM ζώνη και έχει λιγότερα σήματα παρεμβολής από άλλες ασύρματες συσκευές. Επιπλέον, τα 300 MHz του εύρους ζώνης είναι σχεδόν τέσσερις φορές το διαθέσιμο εύρος ζώνης στην ISM ζώνη και μπορεί έτσι να υποστηρίξει υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων. Το a χρησιμοποιεί OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - ορθογωνική πολύπλεξη διαίρεσης συχνότητας) σαν τρόπο μετάδοσης. Υπάρχει ένα σύνολο 8 μη επικαλυπτόμενων καναλιών που καθορίζονται στις δύο χαμηλότερες ζώνες, κάθε ένα από τα οποία έχουν εύρος 20 MHz. Το κάθε κανάλι διαιρείται σε 52 υπο- φέροντα (sub-carriers). Κάθε υποφέρον έχει περίπου 300 khz εύρος. Τα bits πληροφορίας κωδικοποιούνται και διαμορφώνονται μέσα σε κάθε υπο- φέρον, και τα 52 υπο- φέροντα πολυπλέκονται μαζί και μεταδίδονται παράλληλα. Επομένως, ο υψηλός ρυθμός μετάδοσης επιτυγχάνεται με το συνδυασμό πολλών υποφερόντων χαμηλότερου ρυθμού. Η μετάδοση πολλών υπο- φερόντων ή υπο- καναλιών (sub channels) καθιστά το δίκτυο περισσότερο επεκτάσιμο από άλλες τεχνικές. Για την καταπολέμηση των λαθών στα κανάλια και τη βελτίωση της ποιότητας μετάδοσης έγινε εισαγωγή της FEC (Forward Error Correction απευθείας διόρθωσης λαθών) στο a. Εκτός από την παροχή υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης και την καλύτερη επεκτασιμότητα, ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα της τεχνικής OFDM είναι ότι βελτιώνει την αντίσταση στις παρεμβολές πάνω στα κανάλια με διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών. Εξαιτίας του χαμηλού ρυθμού συμβόλων κάθε υπο- φέροντος, η επίδραση της εξάπλωσης καθυστέρησης μειώνεται και έτσι η παρεμβολή πολλαπλών διαδρομών ελαχιστοποιείται. Το πρότυπο a απαιτεί την υποστήριξη ρυθμών μετάδοσης 6, 12 και 24 Mbps από τις συσκευές. Άλλοι ρυθμοί μετάδοσης μέχρι και 54 Mbps είναι προαιρετικοί. Αυτοί οι διαφορετικοί ρυθμοί μετάδοσης είναι το αποτέλεσμα διαφορετικών τρόπων διαμόρφωσης και κωδικοποίησης 16

17 1.3.2.IEEE b Το b είναι σήμερα, το πιο δημοφιλές από τα μέλη της οικογένειας των προτύπων ασύρματης δικτύωσης ΙΕΕΕ , με υποστήριξη από πολλούς κατασκευαστές. Το πρώτο πρότυπο παρείχε αρκετά χαμηλή ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων με αρκετά υψηλό κόστος για να υιοθετηθεί ευρέως[16][28]. Έτσι το 1999, η IEEE εξέδωσε ένα νέο πρότυπο, το b, το οποίο υποστηρίζει ταχύτητες μέχρι 11 Mb/s και χρησιμοποιεί την ελεύθερη μπάντα συχνοτήτων των 2,4 GHz. Επίσης είναι το πιο διαδεδομένο στην αγορά ανεξάρτητα από το γεγονός ότι το a, προσφέρει υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης. Όταν η ποιότητα επικοινωνίας είναι φτωχή, το σύστημα μπορεί να ρίξει την ταχύτητα σε 5,5 Mb/s, 2 Mb/s ή 1 Mb/s προκειμένου να διατηρηθεί η σύνδεση μεταξύ των ασύρματων συσκευών. Χρησιμοποιεί το ίδιο υπόστρωμα MAC όπως και τα άλλα πρότυπα, την τεχνική HR/DSSS (High Rate/ Direct Sequence Spread Spectrum) και την διαμόρφωση CCK (Complementary Code Keying - χρησιμοποιεί το πλήρες εύρος ζώνης συχνοτήτων κάθε υποκαναλιού για να διαμορφώσει τα σήματά του). Μπορεί να θεωρηθεί σαν επέκταση του αρχικού DSSS φυσικού στρώματος που ορίστηκε στο και μάλιστα χρησιμοποιεί τα ίδια κανάλια με αυτό, πετυχαίνοντας αρκετά μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης Τα περισσότερα προϊόντα προορίζονται ώστε να χρησιμοποιηθούν σε ενδοκτιριακές εφαρμογές, όπου επιτυγχάνουν κάλυψη ως 150 μέτρα κάτω από τις βέλτιστες συνθήκες (ειδικές κεραίες είναι διαθέσιμες για την επέκταση της κάλυψης για ανοικτές περιοχές ή από σημείο σε σημείο επικοινωνίες). Εντούτοις, πολλοί πελάτες χρησιμοποιούν το πρότυπο για κάλυψη έκτασης όχι παραπάνω από 30 μέτρα, ώστε να εξασφαλίσουν καλή απόδοση χωρίς να χρειάζεται να κάνουν εκτενείς μελέτες για την εξασφάλιση των αναγκών τους. Το IΕΕΕ πρότυπο υποστηρίζει πιστοποίηση ταυτότητας των συσκευών και κρυπτογράφηση των δεδομένων. Η πιστοποίηση ταυτότητας μπορεί να βασιστεί σε έναν καθορισμένο από το χρήστη κατάλογο έγκυρων μελών ή σε ένα κοινό κλειδί. Ούτε όλοι οι κατασκευαστές, ούτε όλα τα προϊόντα από τον ίδιο κατασκευαστή, υποστηρίζουν τα ίδια επίπεδα ασφάλειας. Το ΙΕΕΕ b πρότυπο επιτάσσει την ύπαρξη ενός ελάχιστου επιπέδου ασφάλειας, αλλά καθορίζει και άλλα ασφαλέστερα επίπεδα τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν προαιρετικά. Εντούτοις, η πιστοποίηση Wi-Fi (Wireless Fidelity) απαιτεί τα προϊόντα να υποστηρίζουν τουλάχιστον ένα μήκους 40 bits κλειδί κρυπτογράφησης(wep key). Η προαιρετική δυνατότητα κρυπτογράφησης WEP είναι διαθέσιμη στις ασύρματες 17

18 συσκευές των περισσότερων κατασκευαστών, αλλά όχι απαραιτήτως στην πλήρη γραμμή των προϊόντων τους. Μόνο τα δεδομένα κρυπτογραφούνται πριν την μετάδοση, ενώ οι επικεφαλίδες μεταδίδονται χωρίς κάποια επεξεργασία Τελος, οπως και άλλα πρότυπα, το b χρησιμοποιεί το CSMA-CA (carrier sense multiple access with collision avoidance πολλαπλή πρόσβαση με ανίχνευση φέροντος και αποφυγή σύγκρουσης) MAC (Media Access Control- έλεγχος πρόσβασης του μέσου) πρωτόκολλο. Ένας ασύρματος σταθμός με ένα πακέτο προς μετάδοση πρώτα ακούει το ασύρματο μέσο για να καθορίσει εάν ένας άλλος σταθμός μεταδίδει εκείνη τη στιγμή. Εάν το μέσο χρησιμοποιείται, ο ασύρματος σταθμός υπολογίζει μια τυχαία καθυστέρηση οπισθοχώρησης (backoff delay). Μόνο αφού παρέλθει ο χρόνος της τυχαίας καθυστέρησης μπορεί ο ασύρματος σταθμός να ακούσει πάλι για ένα σταθμό που μεταδίδει. Με την εισαγωγή μιας τυχαίας καθυστέρησης οπισθοχώρησης, πολλαπλοί σταθμοί που περιμένουν να μεταδώσουν δεν καταλήγουν να προσπαθούν να μεταδώσουν την ίδια χρονική στιγμή IEEE g Το g είναι πιο πρόσφατα εγκεκριμένο πρότυπο ασύρματου LAN από την ΙΕΕΕ σε σχέση με τα δύο προηγούμενα. Προσφέρει υψηλό ρυθμό μετάδοσης φτάνοντας μέχρι τα 54 Mbps, που είναι συγκρίσιμος με το a[5][28]. Το κυριότερο, το g προσφέρει συμβατότητα προς τα πίσω με το ευρέως εφαρμοσμένο πρότυπο b. Το g έχει κερδίσει αξιοσημείωτο ενδιαφέρον μεταξύ των ασύρματων χρηστών. Λειτουργεί στη ISM(Industrial, Scientific, Medical) 2,4 GHz ζώνη, όπως και το b. Χρησιμοποιεί την τεχνολογία OFDM και υποστηρίζει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, και 54 Mbps παρόμοια με το a. Mε σκοπό την προς τα πίσω συμβατότητα με b, το g υποστηρίζει επίσης τον κώδικα Barker και τη διαμόρφωση CCK που προσφέρουν ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων 1, 2, 5,5 και 11 Mbps. Μεταξύ των ρυθμών μετάδοσης, οι 1, 2, 5,5, 11, 6, 12, και 24 Mbps είναι υποχρεωτικοί για μετάδοση και λήψη όπως διευκρινίζεται από το πρότυπο. Παρόμοια με το b πρότυπο, το g έχει μόνο τρία μηεπικαλυπτόμενα κανάλια και το νέο φυσικό στρώμα καλείται ERP (Extended Rate Physical -φυσικό εκτεταμένου ρυθμού) στρώμα. Το g χρησιμοποιεί την ίδια τεχνική MAC, CSMA-CA, με το a και το b. Kάθε πακέτο αποτελείται από το προοίμιο την κεφαλίδα, και το οφέλιμο φορτίο 18

19 (preamble, header, payload). Στο πρότυπο b, ο μεγάλος πρόλογος (120ì s) είναι υποχρεωτικός, ενώ ο σύντομος πρόλογος (96μs) είναι προαιρετικός. Στο πρότυπο g, και ο μεγάλος και ο σύντομος πρόλογος υποστηρίζονται για να βελτιώσουν την αποδοτικότητα της μετάδοσης και να διατηρήσουν την πίσω συμβατότητα. Ο χρόνος σχισμής (slot time) είναι διαφορετικός για τα b και g συστήματα. To g χρησιμοποιεί μικρότερη χρονοσχισμή (9μs) από τη χρονοσχισμή του b (20ì s). Μικρότερη χρονοσχισμή βελτιώνει τη ρυθμοαπόδοση (throughput) του συστήματος. Εντούτοις για πίσω συμβατότητα, το g υποστηρίζει επίσης τη μεγαλύτερη χρονοσχισμή. Η προδιαγραφή για το φυσικό στρώμα του g είναι σχεδόν η ίδια όπως και για το a. Κατά συνέπεια, και τα δύο συστήματα θα έπρεπε να έχουν παρόμοια ικανότητα (capacity) και απόδοση. Ωστόσο στην πραγματικότητα, η απόδοση για το g είναι διαφορετική από το a εξαιτίας των ακόλουθων λόγων: Το g μοιράζεται το ίδιο φάσμα των 2.4-GHz με το b. Όταν b και g συσκευές είναι ταυτόχρονα παρούσες, κατάλληλος συντονισμός και διαχείριση μεταξύ των δύο διαφορετικών ειδών συσκευών είναι απαραίτητη για να αποφευχθούν παρεμβολές και συγκρούσεις. Ο αντίκτυπος στην απόδοση των συσκευών g μπορεί να είναι σημαντικός εάν δεν υιοθετηθεί καμιά προστασία. Απ την άλλη, το a χρησιμοποιεί διαφορετικό φάσμα και έτσι δε χρειάζεται συντονισμός με άλλους χρήστες του ασύρματου LAN. Για τη διατήρηση της πίσω συμβατότητας, το g απαιτείται να χρησιμοποιεί τη χρονοσχισμή των 20μs όμοια με το b. Η χρήση της χρονοσχισμής των 9μs είναι προαιρετική για το g. Αντίθετα στο a, η διάρκεια της χρονοσχισμής είναι 9ì s, το οποίο είναι αποδοτικότερο από την αντίστοιχη των 20. Το 2,4 GHz ISM φάσμα που χρησιμοποιείται από το g είναι πιο κορεσμένο από το U- NII φάσμα των 5 GHz που χρησιμοποιείται από το a. Κατά συνέπεια οι συσκευές g υπόκεινται σε περισσότερες πηγές παρεμβολών, όπως φούρνοι μικροκυμάτων, συσκευές Bluetooth, ασύρματα τηλέφωνα, RF ιατρικές συσκευές, κ.λ.π. Για τις a συσκευές, δεδομένου ότι το φάσμα των 5 GHz δεν επικαλύπτεται με την ISM ζώνη, υπάρχουν λιγότερες πηγές παρεμβολών από εξωτερικές συσκευές. 19

20 Ο αριθμός διαθέσιμων καναλιών στην ISM 2,4 GHz ζώνη είναι μικρότερος από αυτόν στη ζώνη στη U- NII των 5 GHz. Στο g υπάρχουν μόνο τρία μη- επικαλυπτόμενα κανάλια, έναντι των 13 διαθέσιμων καναλιών στο a. Κατά συνέπεια, ο παράγοντας επαναχρησιμοποίησης συχνότητας είναι μικρότερος στο g από ότι στο a για να καλύψει τις απαιτήσεις ικανότητας και κάλυψης. Δια- καναλική (co-channel) παρεμβολή λόγω της επαναχρησιμοποίησης συχνότητας είναι υψηλότερη στο g από το a. Η απώλεια διάδοσης διαδρομής στη ζώνη των 5 GHz είναι μεγαλύτερη από αυτή στα 2,4, γεγονός που ευνοεί φυσικά το g. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα του g έναντι του a είναι η πίσω συμβατότητα με την κληρονομιά των b συσκευών IEEE n Το n αναπτύχθηκε για να βελτιώσει την απόδοση ενός δικτύου σε σχέση με προηγούμενα πρωτόκολλα, όπως τα a και g. Επιτυγχάνει υψηλότερους μέγιστους θεωρητικούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων στο φυσικό επίπεδο από τα 54 Mbit/s στα έως 600Mbit/s[28]. Σχεδιάστηκε για να είναι συμβατό με συσκευές που χρησιμοποιούν τα παλαιότερα πρωτόκολλα επικοινωνίας της ομάδας εργασιών του Το n είναι το πρώτο πρωτόκολλο της ομάδας εργασίας που καθιέρωσε σαν πρότυπο την υποστήριξη σε συσκευές πολλαπλής εισόδου εξόδου σήματος (multiple-input multiple-output, MIMO) και σε συσκευές με δυνατότητα συνάθροισης πακέτων (frame aggregation). Ο αριθμός των καναλιών που μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα σε ένα ασύρματο δίκτυο περιορίζεται από των αριθμό των κεραιών που χρησιμοποιούν ο αποστολέας και ο δέκτης. Το πρότυπο n επιτρέπει την μέγιστη χρήση ως τεσσάρων κεραιών στους κόμβους. Ο μέγιστος αριθμός καναλιών που μπορούν να επιτευχθούν είναι τέσσερα, αρκεί ο αποστολέας, αλλά και ο δέκτης να χρησιμοποιούν αυτόν τον αριθμό κεραιών. Επίσης, τα κανάλια πλέον μπορούν να λειτουργούν με πλάτος 40 MHz, αντί των 20 MHz που επέτρεπαν οι παλαιότερες εκδόσεις του IEEE , και άρα διπλασιάζοντας το πλάτος των καναλιών, διπλασιάζεται και ο ρυθμός μετάδοσης του φυσικού επιπέδου. Σε συνδυασμό με την χρήση τεσσάρων καναλιών, το n μπορεί να καταφέρει μέγιστους θεωρητικούς ρυθμούς μετάδοσης της τάξης των 600 Mbit/s. 20

21 Επιπλέον χαρακτηριστικά του, σε σχέση με παλαιότερα πρωτόκολλα, είναι οι βελτιωμένες τεχνικές ασφάλειας που καθιέρωσε και η δυνατότητα λειτουργίας του σε οποιαδήποτε από τις δύο ζώνες συχνοτήτων των 2.4 GHz ή των 5 GHz. Η συνάθροιση πλαισίων είναι μία καινούρια τεχνική που εισήγαγε το πρότυπο IEEE n. Κάθε πλαίσιο που αποστέλλεται από κάποια συσκευή που χρησιμοποιεί το πρότυπο περιλαμβάνει ένα σημαντικό ποσό πλεονάζουσας κίνησης (overhead) η οποία οφείλεται στις επικεφαλίδες του φυσικού και MAC επιπέδου, στα διαπλαισιακά διαστήματα που προβλέπονται από το πρωτόκολλο και πακέτα επιβεβαίωσης (ACK). Σε υψηλές ταχύτητες διαμεταγωγής, αυτή η επιπλέον κίνηση μπορεί να καταναλώνει περισσότερο εύρος ζώνης από τα ίδια τα δεδομένα που προσπαθούμε να αποστείλουμε. Το IEEE n βελτιώνει την ρυθμαπόδοση αποστέλλοντας πολλαπλά πλαίσια σε μία μετάδοση, συναθροίζοντάς τα (frame aggregation). Υπάρχουν τρεις τεχνικές συνάθροισης πλαισίων, αναλόγως το επίπεδο του πρωτοκόλλου στο οποίο πραγματοποιούνται, η συνάθροιση Α MSDU, η συνάθροιση Α-MPDU και η συνάθροιση δύο επιπέδων (two-level aggregation). Συνάθροιση A-MSDU MSDU ονομάζεται το πλαίσιο που παραλαμβάνεται από τα ανώτερα επίπεδα του MAC επιπέδου. Περιλαμβάνει επικεφαλίδα στην οποία αναγράφονται η διεύθυνση του αποστολέα και του παραλήπτη, το μέγεθος του πλαισίου, τις κεφαλίδες MAC δηλαδή, και τα δεδομένα του. MAC Protocol Data Unit ή PSDU ονομάζεται το πλαίσιο που εξέρχεται από τα χαμηλότερα επίπεδο του MAC και παραλαμβάνεται από το φυσικό επίπεδο. Περιλαμβάνει επιπλέον τα δεδομένα έλεγχου σφαλμάτων πλαισίου. Και τα δύο πλαίσια έχουν ένα μέγιστο μέγεθος το οποίο καθορίζεται από το εκάστοτε πρότυπο. Στην συνάθροιση MSDU το μέγιστο μέγεθος δεδομένων είναι 3839 ή 7935 bytes. Όλα τα συναθροιζόμενα πλαίσια πρέπει να έχουν το ίδιο αναγνωριστικό χρόνου (TID) και να έχουν τις ίδιες διευθύνσεις αποστολής και παραλαβής. Η συνάθροιση MSDU μειώνει αισθητά τον όγκο των πλεονάζοντων δεδομένων και αυξάνει την ρυθμαπόδοση του δικτύου, ειδικά όταν χειρίζεται πολλά και μικρού μεγέθους αρχικά MSDU πλαίσια. Το κύριο μειονέκτημα της συνάθροισης MSDU είναι η χρήση της σε κανάλια με υψηλό ρυθμό σφαλμάτων. Καθώς αντί να χρησιμοποιείται έλεγχος σφαλμάτων για κάθε μεμονωμένο πλαίσιο, στην συνάθροιση A-MSDU γίνεται έλεγχος για όλα τα συναθροιζόμενα πλαίσια, στην περίπτωση που καταστραφεί ένα A MSDU πλαίσιο θα πρέπει αναγκαστικά να αποσταλούν όλα τα πλαίσια από τα οποία αποτελούνταν ξανά. 21

22 Συνάθροιση A-MPDU Η βασική διαφορά των A-MSDU και A-MPDU είναι το επίπεδο στο οποίο γίνεται η συνάθροιση(σχήμα 3). Στην περίπτωση της A-MPDU συναθροίζονται τα MSDU πλαίσια αφού τους έχει προστεθεί η κεφαλίδα MAC. Αποτέλεσμα είναι να μην χρειάζεται να έχουν όλα τα συναθροιζόμενα πλαίσια το ίδιο αναγνωριστικό χρόνου. Παρ όλ αυτά, θα πρέπει να έχουν όλα τα πλαίσια τον ίδιο αποστολέα και παραλήπτη. Το μέγιστο μέγεθος ενός πακέτου MPDU είναι τα bytes και ο μέγιστος αριθμός πλαισίων που μπορεί να περιέχει είναι τα 64. Ένα πλεονέκτημα της A-MPDU είναι η δυνατότητα χρήσης της προαιρετικής τεχνικής μαζικής επιβεβαίωσης (block acknowledgement). Με την χρήση αυτής της τεχνικής ο παραλήπτης μπορεί να επιβεβαιώσει την απροβλημάτιστη λήψη 64 πλαισίων, αριθμός που είναι και το όριο των πλαισίων που μπορεί να περιέχει ένα A-MPDU, με ένα μόνο πακέτο ACK μεγέθους 128 bytes, ενώ στην περίπτωση που κάποια πλαίσια δεν παραληφθούν σωστά μπορεί να ενημερώσει τον αποστολέα για το ποια ήταν αυτά ώστε να μην χρειαστεί η αποστολή όλων των πλαισίων ξανά. Αυτός είναι και ένας λόγος της καλύτερης απόδοσης που πετυχαίνει η A-MPDU σε περιβάλλοντα με υψηλό ρυθμό σφαλμάτων. Σχήμα 3: α.συνάθροιση A-MSDU, β. Συνάθροιση A-MPDU 22

23 Συνάθροιση δύο επιπέδων H συνάθροιση δύο επιπέδων (two-level aggregation) αποτελεί έναν συνδυασμό της A MSDU και της Α-MPDU(Σχήμα 4). Στο πρώτο στάδιο συναθροίζονται όσα MSDU πλαίσια βρίσκονται στην προσωρινή μνήμη του αποστολέα. Όταν φτάσουμε στο μέγιστο μέγεθος που προβλέπεται για τα πλαίσια MSDU ή αν υπάρχουν MSDU με διαφορετικά αναγνωριστικά χρόνου, δημιουργείται το επόμενο Α-MSDU πλαίσιο. Αν συνεχίζουν να καταφθάνουν πλαίσια πριν ξεκινήσει η μετάδοση αυτά γίνετε προσπάθεια να συναθροιστούν στο καλύτερο MSDU πλαίσιο, επιλέγοντας για παράδειγμα ήδη έτοιμα MSDU πλαίσια με το ίδιο αναγνωριστικό χρόνου ή MSDU πλαίσια τα οποία είναι κοντά στο να γεμίσουν με τον μέγιστο αριθμό δεδομένων που τους επιτρέπεται. Τέλος, όλα τα MSDU πλαίσια συναθροίζονται σε ένα MPDU πλαίσιο, αρκεί να μην ξεπερνούν τα 64. Τα εναπομείναντα πλαίσια παραμένουν στην προσωρινή μνήμη του αποστολέα για κάποια επόμενη μετάδοση. Πέρα από την αυξημένη ρυθμαπόδοση που πετυχαίνει η συνάθροιση δύο επιπέδων σε σύγκριση ακόμη και με την τεχνική A-MPDU, επιπλέον επιτρέπει την βελτιστοποίηση ενός δικτύου στην περίπτωση που αντιμετωπίζουμε υψηλούς ρυθμούς σφαλμάτων. Σχήμα 4: Συνάθροιση δύο επιπέδων 23

24 1.3.5.IEEE ac Το πρωτόκολλο ac δημιουργήθηκε από την ομάδα TGac. Σαν πρότυπο ολοκληρώθηκε το 2013 και εγκρίθηκε τον Ιανουάριο του 2014[2][28]. Είναι διαθέσιμο σε όλα τα σύγχρονα smartphone,laptop και desktop PCs και Smart TVs Είναι το πρότυπο το όποίο έρχεται να αντικαταστήσει το n, που λειτουργεί από το 2007 και φέρνει πολλά σημαντικά οφέλη. Το ac (ή αλλιώς 5G) είναι πλήρως συμβατό με τα προηγούμενα πρότυπα WiFi. Αυτό σημαίνει ότι λειτουργεί τέλεια με τα a, b, g και n. Tο μεγάλο όφελος που φέρνει το ac είναι η ταχύτητα. Θεωρητικά οι ταχύτητες με το πρότυπο ac είναι εως 1300 megabits ανά δευτερόλεπτο (Mbps), που είναι το ισοδύναμο των 162,5 megabytes ανά δευτερόλεπτο. Αυτό είναι 3 φορές πιο γρήγορο από ό, τι η τυπικη 450Mbps ταχύτητα που αποδίδεται στο n. Στον πραγματικό κόσμο κανείς δεν φθανει ποτέ κοντά στις θεωρητικές ταχύτητες και η καλυτερη ταχυτητα με το πρότυπο ac που καταγράφηκε σε δοκιμές είναι περίπου 720Mbps(90MBps). Αντίθετα το n φθάνει σε περίπου 240Mbps (30Mbps), ώστοσο η τριπλάσια εκτίμηση εξακολουθεί να ισχύει. Το ac διαθέτει εύρος ζώνης 80MHz που μπορεί να φτάσει ακόμα και τα 160MHz, έναντι των 40MHz του προτύπου n. Αλλά υπάρχει ένα ακόμη κρίσιμο μέρος, το ac έχει περιθώρια να υποστηρίξει μέχρι και οχτώ κεραιες που τρέχουν πάνω από 400Mbps η καθεμιά, αλλά ο γρηγορότερος δρομολογητής μέχρι σήμερα έχει μόνο τέσσερις κεραίες. Ο λόγος είναι επειδή οι κεραίες προσθέτουν κόστος και καταλαμβάνουν χώρο και όσο μικρότερη είναι η συσκευή τοσο λιγότερες κεραίες μπορούν να χωρέσουν. Τυπικά: Smartphones: 1 κεραία Προσαρμογείς USB: 1 ή 2 κεραίες Tablets: 2 κεραίες Φορητοί υπολογιστές: 2 κεραίες (περιστασιακά 3, σε αντικατάσταση επιτραπέζιων υπολογιστών) Desktops: 3 ή 4 κεραίες 24

25 Εμβέλεια του ac έναντι n Το ac είναι πολύ πιο γρήγορο, αλλά η ταχυτητα δεν είναι πραγματικά το μόνο μεγάλο πλεονέκτημα. Στην πραγματικότητα το ac χρησιμοποιεί τη ζώνη 5 GHz, σε αντίθεση με το n που χρησιμοποιεί 2.4GHz. Υψηλότερες ζώνες σημαίνουν και μεγάλες ταχύτερες αλλά οι χαμηλότερες ζώνες ταξιδεύουν περαιτέρω. Έτσι, η διαφορά των ac και του n φαίνεται και από το εξής: το n χρησιμοποιείται για τα πάντα, από τα οικιακά ασύρματα τηλέφωνα μεχρι φούρνους μικροκυμάτων ενώ το ac παραμένουν σχεδόν πάντα χωρίς παρεμβολές με καθαρότερο σήμα. Ένας ακόμη σημαντικός παράγοντας που κάνει το ac να υπερισχύει είναι το «beamforming». Συνήθως το ασύρματο σήμα εκπέμπεται από το router εξίσου σε όλες τις κατευθύνσεις, όπως οι κυματισμοι όταν ρίχνουμε μια πέτρα σε μια λίμνη. Αυτός είναι ο λόγος που τοποθετούμε το δρομολογητή μας όσο πιο κοντά στο κέντρο του σπιτιού ή του γραφείου μας και όσο ψηλά γίνεται. Το beamforming λοιπόν, είναι χτισμένο στην προδιαγραφή ac και αναφέρεται στο «έξυπνο σήμα», το οποίο εντοπίζει πού είναι συνδεδεμένες συσκευές και αυξάνει την ισχύ του σήματος ειδικά προς την κατεύθυνσή τους(σχήμα 5). Σχήμα 5: ac 25

26 Όλο αυτό σημαίνει ότι η απόδοση του ac διατηρείται πολύ καλύτερα σε μεγάλες εμβέλειες από ό, τι το n. Η υπεροχή του προτύπου ac φαίνεται και από τους εξής αριθμούς για παράδειγμα: ac πρότυπο σε ένα μέτρο: 90MBps, σε 10 μέτρα: 70Mbps και στα 20 μέτρα πίσω από δύο συμπαγείς τοίχους: 50Mbps n πρότυπο σε ένα μέτρο: 30Mbps, σε 10 μέτρα: 20Mbps και στα 20 μέτρα πίσω από δύο συμπαγείς τοίχους: 5-10MBps Πριν από λίγο καιρό, ο εξοπλισμός με το ac πρότυπο ήταν δύσκολο να βρεθει και ήταν εξαιρετικά δαπανηρός. Τώρα είναι ενσωματωμένο σε κάθε premium smartphone, tablet, laptop και έξυπνη τηλεόραση και όλο και συχνότερα στις συσκευές μεσαίας κατηγορίας, καθώς ο λόγος για αυτό είναι τριπλός. Πρώτον, υπάρχουν προφανή οφέλη απόδοσης, ιδιαίτερα για ατομικές συσκευές, όπως κεραίες smartphones. Δεύτερον, είναι περισσότερο αποδοτικο επειδή η μπαταρία πρέπει να είναι ενεργή για λιγότερο χρόνο όταν μεταφορές δεδομένων μπορούν να ολοκληρώθουν πιο γρήγορα. Τρίτον, οι καλύτερες τιμές οσο αυξάνεται η ζήτηση (economies of scale) IEEE ad Η Wireless Gigabit Alliance (WiGig) είναι μια εμπορική ένωση που ανέπτυξε και προώθησε την υιοθέτηση της τεχνολογίας με ταχύτητες πολλών( multi-gigabit) ασύρματες επικοινωνίες που λειτουργούν πάνω από την ζώνη συχνοτήτων των 60 GHz[28]. Η συμμαχία έχει ενταχθεί από την Wi-Fi Alliance τον Μάρτιο του 2013 και φέρει την πιστοποίηση της IEEE. Η δημιουργία της WiGig, για την προώθηση του προτύπου ad ανακοινώθηκε τον Μάιο του Τον Ιούνιο του 2011, η WiGig ανακοίνωσε την κυκλοφορία των προδιαγραφών της έκδοσης 1.1 του ad. Η έκδοση αυτή επιτρέπει στις συσκευές να επικοινωνούν χωρίς καλώδια σε ταχύτητες multigigabit. Μπορεί να μεταφέρει δεδομένα με ταχύτητα 1Gbps σε μια απόσταση έως και 10 μέτρων. 26

27 Το πρότυπο WiGig (802.11ad) επιτρέπει την μετάδοση δεδομένων από συσκευή σε συσκευή (σε σχέση με το πρότυπο ac που απλά φροντίζει για μια καθολική δυνατότητα σύνδεσης μέσω του router). Παρακάτω δίνεται μια σύντομη περιγραφή του mm-wave φυσικού επιπέδου όπως αυτό ορίζεται στο IEEE ad πρωτόκολλο. Για την απλοποίηση της επεξήγησης της λειτουργίας του στο φυσικό επίπεδο, η IEEE εισήγαγε νέες ορολογίες για να προσδιορίσει το φυσικό επίπεδο των υψηλών ρυθμών μετάδοσης πρωτοκόλλων. VHT(very high throughput), είναι κάθε φασματική περιοχή που ξεκινάει κάτω από τα 6 GHz, ενώ δεν συμπεριλαμβάνεται η περιοχή γύρω από τα 2.4 GHz. DMG (directional multi-gigabit), που αντιπροσωπεύει κάθε φασματική περιοχή που έχει ένα κανάλι, που ξεκινάει σε συχνότητα πάνω από τα 45 GHz. Χρησιμοποιώντας την νέα ορολογία, η παράγραφος του IEEE ad προσδιορίζει το DMG PHY(physical layer), που συνήθως υλοποιείται στα 60 GHz, ως την φασματική περιοχή GHz, και η οποία υπόκειται στους περιορισμούς της κάθε γεωγραφικής περιοχής, όπως αυτοί παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήμα(σχήμα 6). Σχήμα 6: Ελευθερες Φασματικες Περιοχες 27

28 Στο παραπάνω σχήμα(σχήμα 6) φαίνεται οι ελεύθερες φασματικές περιοχές σε κάθε μία από τις περιοχές, καθώς και ο χωρισμός τον καναλιών όπως προτυποποιήθηκε από την ITU-R τον Νοέμβριο του Ακόμα η ITU-R όρισε το εύρος των καναλιών στα 2.16 GHz με κεντρικές συχνότητες τα GHz, GHz, GHz και GHz αντίστοιχα. Όπως φαίνεται λοιπόν δεν είναι ελεύθερα όλα τα κανάλια σε όλες τις περιοχές και συνεπώς ορίστηκε το Κανάλι 2 ως το βασικό για τον εξοπλισμό που δουλεύει σε αυτές τις συχνότητες. 1.4.Αρχιτεκτονική του IEEE Το πρότυπο ορίζει δύο διαφορετικές τοπολογίες: τα δίκτυα υποδομής και τα αδόμητα δίκτυα. Η βασική δομική μονάδα ενός δικτύου ΙΕΕΕ ονομάζεται βασικό σύνολο εξυπηρέτησης (Basic Service Set - BSS)[1][2][16][24]. Το βασικό σύνολο εξυπηρέτησης αποτελείται από ένα σύνολο σταθμών, οι οποίοι βρίσκονται κάτω από τον έλεγχο μιας συνάρτησης συντονισμού, είτε της DCF ή της PCF, οι οποίες συντονίζουν την λειτουργία των σταθμών μέσα στο δίκτυο. Έτσι οι σταθμοί μπορούν να επικοινωνούν απευθείας μεταξύ τους χρησιμοποιώντας το κοινό μέσο, δηλαδή τον αέρα ή μέσω μιας ενδιάμεσης συσκευής που αναλαμβάνει τον κεντρικό έλεγχο της επικοινωνίας. Η γεωγραφική περιοχή μέσα στην οποία μπορούν τα μέλη ενός βασικού συνόλου εξυπηρέτησης να επικοινωνούν μεταξύ τους είναι γνωστή ως βασική περιοχή εξυπηρέτησης (Basic Service Area - BSA), και είναι ανάλογη της «κυψέλης» που χρησιμοποιούν τα κυψελώδη δίκτυα επικοινωνίας. Αν κάποιος σταθμός βγει από αυτή την περιοχή, τότε πλέον δεν αποτελεί μέλος του συγκεκριμένου βασικού συνόλου εξυπηρέτησης και άρα δεν μπορεί να επικοινωνήσει πλεον με τους υπόλοιπους σταθμούς. Αντίστοιχα αν κάποιος σταθμός εισέλθει στην βασική περιοχή εξυπηρέτησης ενός βασικού συνόλου εξυπηρέτησης, τότε μπορεί να αρχίσει την επικοινωνία με τα υπόλοιπα μέλη του. Ένα παράδειγμα ενός συνόλου εξυπηρέτησης που ελέγχεται από μια μοναδα εξυπηρέτησης ή σημείο πρόσβασης (AP) φαίνεται στο παρακάτω σχήμα(σχήμα 7). 28

29 Σχήμα 7 : Basic Service Set BSS Αδόμητα Δίκτυα(ad-hoc networks) Το βασικό σύνολο εξυπηρέτησης - BSS θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να σχηματιστεί ένα αδόμητο δίκτυο (ad hoc network). Το αδόμητο δίκτυο μπορεί να σχηματιστεί με την ομαδοποίηση δυο ή περισσότερων τερματικών σε ένα βασικό σύνολο εξυπηρέτησης, χωρίς την παρουσία κάποιας κεντρικής μονάδας που να συντονίζει την επικοινωνία τους[2][3][5]. Η τοπολογία αυτή είναι γνωστή ως ανεξάρτητο βασικό σύνολο εξυπηρέτησης (Independent BSS - IBSS). Είναι το είδος δικτύου που δημιουργείται χωρίς προηγούμενο προγραμματισμό για να υπάρχει μόνο για όσο χρόνο χρειάζεται. Ένα τέτοιο παράδειγμα παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα(σχήμα 8). Σχήμα 8: Independent BSS IBSS 29

30 Στα αδόμητα δίκτυα το μόνο που χρειάζεται είναι η χρήση ενός κοινού πρωτοκόλλου προκειμένου να συγχρονιστεί η επικοινωνία μεταξύ των σταθμών και να αποφευχθούν οι συγκρούσεις των πακέτων. Το γεγονός ότι δεν υπάρχει κεντρική μονάδα συντονισμού της επικοινωνίας, οδηγεί στην χρήση αποκεντρωμένων πρωτοκόλλων επικοινωνίας MAC. Έτσι το πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται είναι το CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), δηλαδή πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος σήματος και αποφυγή συγκρούσεων Δίκτυα Υποδομής(infrastructure networks) Στα δίκτυα υποδομής, σε αντίθεση με τα αδόμητα δίκτυα, σκοπός είναι να παρέχεται στους ασύρματους χρήστες μεγαλύτερη εμβέλεια και πρόσθετες υπηρεσίες. Κατά το για τη δημιουργία ενός δικτύου υποδομής απαιτείται ένα σημείο πρόσβασης(access Point-AP)[1][2][3] [5]. Το σημείο πρόσβασης εδώ έχει τον ρόλο του σταθμού βάσης των κυψελικών δικτύων επικοινωνιών και μέσου αυτού γίνεται όλη η επικοινωνία και διαχείριση του εύρους ζώνης του ασύρματου καναλιού. Σε τέτοιες τοπολογίες χρησιμοποιούνται συγκεντρωτικά πρωτόκολλα MAC, όπως είναι για παράδειγμα η τεχνική του polling, κατά την οποία, το σημείο πρόσβασης στέλνει σε τακτά χρονικά διαστήματα μηνύματα στους σταθμούς εντός του BSS για να ελέγξει αν κάποιος σταθμός θέλει να μεταδώσει. Υπάρχει και η άλλη περίπτωση των δικτύων υποδομής(σχήμα 9), κατά την οποία υπάρχει το δίκτυο κορμού, το οποίο είναι ενσύρματο, έχοντας μεγαλύτερη εμβέλεια και μεγαλύτερες ταχύτητες. Εδώ, το σημείο πρόσβασης του κάθε BSS συνδέεται με το δίκτυο κορμού, για να μπορούν οι ασύρματοι κόμβοι του ενός BSS να επικοινωνούν με τους κόμβους άλλου BSS. Έτσι, δημιουργείται αυτό που λέμε Extended Service Set(ESS), δηλαδή εκτεταμένο δίκτυο. Η σύνδεση μεταξύ πολλών BSS που βρίσκονται εντός ESS, γίνεται μέσω ενός κατανεμημένου συστήματος(distributed system-ds). 30

31 Σχήμα 9: Δίκτυο Υποδομής 1.5.Υπηρεσίες Ασυρμάτου Δικτύου του IEEE Το ασύρματο δίκτυο προσφέρει εννέα βασικές υπηρεσίες[1][28]. Οφείλουμε να επισημάνουμε ότι τρεις από αυτές σχετίζονται με τη μεταφορά δεδομένων και οι υπόλοιπες έξι σχετίζονται με τη διαχείριση. Οι υπηρεσίες αυτές είναι οι εξής: Distribution : Η υπηρεσία αυτή είναι απαραίτητη για την παράδοση ενός πλαισίου από το AP στον τελικό προορισμό του. Συνίσταται στον εντοπισμό του παραλήπτη, ώστε να γίνει εφικτή η τελική παράδοση του πλαισίου. Έτσι λαμβάνεται απόφαση αν ένα πλαίσιο πρέπει να σταλεί στο ίδιο BSS ή πρέπει να σταλεί στο DS προς παράδοση σε σταθμό συσχετιζόμενο με άλλο AP. Integration : Η υπηρεσία αυτή παρέχεται από το σύστημα διανομής. Είναι υπεύθυνη για τη διασύνδεση του συστήματος διανομής DS σε ένα δίκτυο διαφορετικό του Στην ουσία είναι υπεύθυνη για την μετάφραση των πλαισίων από τον ένα τύπο στον άλλο. MSDU Delivery : Η παράδοση των πλαισίων MAC (MAC Service Data Unit) στον τελικό προορισμό τους. Association : Απαραίτητη διαδικασία συσχετισμού ενός σταθμού με το AP, προκειμένου να είναι σε θέση να στείλει και να δεχτεί πλαίσια μέσω του ασυρμάτου δικτύου. Όταν ένας σταθμός είναι συσχετισμένος με ένα AP, δημιουργείται τότε μια λογική σχέση μεταξύ τους, ώστε το DS να γνωρίζει που και πώς να παραδώσει δεδομένα σε έναν ασύρματο σταθμό. 31

32 Reassociation : Χρησιμοποιείται από τους κινητούς σταθμούς σε περίπτωση μετακίνησης από μία BSS σε μία άλλη. Είναι μέρος του μηχανισμού της διαπομπής. Disassociation : Η διαδικασία αυτή αφαιρεί έναν σταθμό από το δίκτυο. Το MAC του μπορεί να χειριστεί και σταθμούς που εγκαταλείπουν το δίκτυο χωρίς να κάνουν πρώτα disassociation. Authentication : Αν απαιτείται από το διαχειριστή του δικτύου, πρέπει κάθε χρήστης να πιστοποιεί την ταυτότητά του πριν να προχωρήσει στη διαδικασία του association. Deauthentication : Τερματισμός μιας ισχύουσας κατάστασης authentication. Τερματίζει επίσης και το association, εφόσον το authentication είναι προαπαιτούμενο αυτού. Privacy : Λόγω του ασύρματου περιβάλλοντος μετάδοσης έχει οριστεί από το μία προαιρετική υπηρεσία κρυπτογράφησης των δεδομένων που ονομάζεται WEP (Wired Equivalent Privacy). Το WEP δεν προσφέρει σε καμία περίπτωση ασφαλής μεταφορά δεδομένων και ήδη μελετάται η αντικατάστασή του. 1.6.Τα επίπεδα του προτύπου ΙΕΕΕ Το πρότυπο διαχωρίζει το σύστημα, όπως προαναφέραμε, σε δύο βασικά μέρη: στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων(data Link Layer) και στο φυσικό επίπεδο(physical Layer)[1][2][11].Αυτά βρίσκονται στα χαμηλότερα επίπεδα του προτύπου OSI(Διασύνδεση Ανοικτών Συστημάτων) το οποίο αποτελεί το βασικό μοντέλο αναφοράς του Διεθνή Οργανισμού Προτυποποίησης(ISO). Στο παρακάτω σχήμα(σχήμα 10) παρουσιάζονται τα επίπεδα με τα υποτμήματά τους. Σχήμα 10: Επίπεδα του προτύπου

33 Το άλλο υποεπίπεδο του στρώματος ζεύξης δεδομένων, δηλαδή το υποεπίπεδο ελέγχου λογικής ζεύξης (Logical Link Control LLC), είναι αυτό που έχει προτυποποιηθεί ως ΙΕΕΕ και χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με όλα τα διαφορετικά MAC της σειράς IEEE 802, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα(σχήμα 11): Logical Link Control (LLC) Data Link Layer MAC & PHY MAC & PHY MAC FHSS PHY DSSS PHY IR PHY a PHY b PHY Physical Layer Σχήμα 11: Διαστρωμάτωση του προτύπου Η φιλοσοφία που ακολουθεί το πρότυπο είναι η ύπαρξη ενός μόνο MAC που όμως υποστηρίζει περισσότερα του ενός φυσικά επίπεδα. Κάθε φυσικό επίπεδο χωρίζεται σε δύο υποεπίπεδα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα(σχήμα 12): MAC Sublayer Data Link Layer PLCP Physical Layer PMD Σχήμα 12: Φυσικό στρώμα του Το υποεπίπεδο PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) χρησιμεύει στην προσαρμογή των διαφόρων φυσικών επιπέδων στο κοινό MAC. Το υποεπίπεδο PMD (Physical Medium Dependent) περιέχει όλες τις λειτουργίες που απαιτούνται για τη μετάδοση της πληροφορίας από το εκάστοτε φυσικό επίπεδο. 33

34 1.7.Φυσικό επίπεδο Το φυσικό επίπεδο του πρωτοκόλλου , χρησιμοποιεί διάφορες τεχνικές για την μετάδοση δεδομένων με ραδιοκύματα ή υπέρυθρες ακτίνες.οι προδιαγραφές που περιγράφονται στο επίπεδο αυτό ορίζουν τις μεθόδους συντονισμού μεταξύ των κόμβων ενός δικτύου και λαμβάνουν υπόψιν τους περιορισμούς των κυκλωμάτων και των κεραιών, αναλόγως της έκδοσης του πρωτοκόλλου[1][5]. Υπάρχουν τέσσερις παραλλαγές του φυσικού επιπέδου του πρωτοκόλλου , όσο αφορά την μετάδοση σήματος: το φυσικό επίπεδο υπερύθρων, το φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος μεταπήδησης συχνότητας, το φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος άμεσης ακολουθίας και το φυσικό επίπεδο ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας Φυσικό επίπεδο Υπερύθρων(Infrared-IR) Η τεχνική αυτή εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι επειδη τα μήκη κύματος του υπέρυθρου και του ορατού φωτός βρίσκονται κοντά, συμπεριφέρονται όμοια. Το υπέρυθρο φως ανακλάται από τα φωτεινά αντικείμενα, απορροφάται από τα σκοτεινά αντικείμενα,, και δεν μπορεί να διαπεράσει τοίχους. Ετσι υπαρχει παριορισμος ως προς την χρήση του λόγω της περιορισμένης γεωγραφικής κάλυψης, αλλά έχει σημαντικά πλεονεκτήματα συγκριτικά με άλλες υλοποιήσεις του φυσικού επιπέδου, γιατι το υπέρυθρο φάσμα δίνει την δυνατότητα επίτευξης πολύ υψηλών ρυθμών μετάδοσης[1]. Ακόμη, στις περισσότερες φορές τα υπέρυθρα σήματα αναδιαμορφώνονται με ανίχνευση του πλάτους τους και όχι της συχνότητας ή της φάσης τους. Αυτό μειώνει την πολυπλοκότητα των δεκτών, κι έτσι μειώνεται το συνολικό κόστος του συστήματος. Για την διαμόρφωση του σήματος χρησιμοποιείται η διαμόρφωση θέσης παλμού(ppm). Η επικοινωνία επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας την διάχυτη υπέρυθρη ακτινοβολία (Diffuse Infrared), η οποία «πλημμυρίζει» μια κλειστή περιοχή όπως για παραδειγμα ένα δωμάτιο, αφού το σήμα αντανακλάται στους τοίχους και το ταβάνι. Έτσι, σε αντίθεση με την ευθεία υπέρυθρη ακτινοβολία (Direct Infrared) όπου πομπός και δέκτης πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένοι, ο χρήστης μπορεί να κινείται ελεύθερα μέσα στο δωμάτιο. Γενικά, η λειτουργία της τεχνικής αυτής, βασίζεται στην εκπομπή παλμών διάρκειας 250 nsec, που παράγονται από τα LEDs (Light Emitting Diode) του πομπού. Η ακτίνα λειτουργίας του 34

35 μπορεί να φτάσει περίπου τα 20 μέτρα, σε ελεύθερο φυσικά οπτικό πεδίο. Άλλη περίπτωση είναι η ανάκλαση των υπέρυθρων ακτίνων από κατάλληλη επιφάνεια, για παράδειγμα τοίχος λευκού χρώματος, ώστε να επιτευχθεί κάλυψη μιας συγκεκριμένης περιοχής. Το PMD υπόστρωμα χρησιμοποιεί δύο σχήματα διαμόρφωσης για να πετύχει τους διαθέσιμους ρυθμούς μετάδοσης των 1 και 2 Mbps. Η διαμόρφωση 16-PPM (Pulse Position Modulation) χρησιμοποιείται για το ρυθμό 1 Mbps. Κάθε 4 bits πληροφορίας αντιστοιχίζονται σε μία ακολουθία 16 bits (ή slots). Κάθε bit διαρκεί 250 nsec και κάθε ακολουθία 16 bits έχει μόνο από αυτά ίσο με «1» και όλα τα υπόλοιπα μηδενικά. Έτσι κάθε τετράδα από bits πληροφορίας κωδικοποιείται από τη θέση του «1» στην 16-μπιτη ακολουθία. Για το ρυθμό των 2 Mbps χρησιμοποιείται η 4-PPM, όπου με την ίδια λογική κάθε ζευγάρι από bits πληροφορίας κωδικοποιούνται σε μία ακολουθία 4 bits. Κατά τη μετάδοση τα bits «1» από την παρουσία ισχύος (οπτικού παλμού) ενώ τα bits «0» από την απουσία. Η ισχύς μετάδοσης έχει όριο τα 2 Watt με μία μέση τιμή ίση με 125 ή 250 mwatt, ενώ το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιείται έχει οριστεί στα 850 με 950 nm. Η γενική μορφή του PLCP πλαισίου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα(σχήμα 13): slots 4 slots 3 slots 32 slots 16 slots 16 slots Variable (<2500 bytes) Sync SFD Data Rate DCLA Length CRC Data Preamble Header Σχήμα 13: Γενική μορφή πλαισίου Στο παραπάνω πλαίσιο το μήκος μετριέται σε σχισμές (slots) των 250 ns, όσο δηλαδή διαρκεί ο βασικός παλμός. Τα διάφορα τμήματά του είναι:. PLCP Preamble Όπως και στα προηγούμενα φυσικά στρώματα, το τμήμα αυτό χρησιμεύει για συγχρονισμό και οριοθέτηση της αρχής του πλαισίου. Περιέχει τα πεδία Sync και SFD, μόνο που το μήκος του είναι μικρότερο σε σύγκριση με τα προηγούμενα, επειδή η μέθοδος αποδιαμόρφωσης είναι ασύμφωνη (non-coherent) και δεν απαιτεί ανάκτηση φέροντος σήματος και ακριβή συγχρονισμό. PLCP Header 35

36 Όσον αφορά την επικεφαλίδα, στο πεδίο Data Rate κωδικοποιείται ο ρυθμός μετάδοσης, ενώ τα πεδία Length και CRC είναι τα ίδια με αυτά του φυσικού στρώματος Direct Sequence. Το πεδίο DCLA (DC Level Adjustment) περιέχει μία ακολουθία 16 σχισμών, επιτρέποντας στον δέκτη να θέσει το κατώφλι ισχύος για την λήψη απόφασης της τιμής του κάθε bit. Data Περιέχει το MAC πλαίσιο προς μετάδοση και το μήκος του περιορίζεται στα 2500 bytes Φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος μεταπήδησης συχνότητας (FHSS) Στο φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος μεταπήδησης συχνότητας, το σήμα εκπέμπεται μέσω ενός ψευδοτυχαίου συνόλου καναλιών συχνότητας μεταπηδώντας από το ένα κανάλι συχνοτήτων στο άλλο ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Ανάλογα με το ρυθμό μεταπήδησης μπορεί να καθοριστεί η φύση του συστήματος από τις τεχνικές γρήγορης κι αργής μεταπήδησης[26]. Κατά τους κανονισμούς της FFC(Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών των Η.Π.Α) ορίζεται ότι κάθε κανάλι συχνότητας μπορεί να έχει εύρος από 0,5 MHz στα 900 MHz ή 1 MHz στα 2,4 GHz και 5,8 GHz. Επιπλέον, ο ελάχιστος επιτρεπτός ρυθμός μεταπήδησης είναι τα 2,5 hops ανά sec. Τα ασύρματα δίκτυα FHSS είναι αρκετά ανθεκτικά στις παρεμβολές στενής ζώνης λόγω του τρόπου με τον οποίο αξιοποιούν το κανάλι. Γι' αυτό μπορούν πολλά FHSS δίκτυα να λειτουργήσουν μαζί στην ίδια γεωγραφικά περιοχή εφόσον έχουν ρυθμιστεί τα δίκτυα να χρησιμοποιούν ορθογώνιες ακολουθίες μεταπήδησης. Η γενική μορφή του πλαισίου του υποστρώματος PLCP στο ΙΕΕΕ , παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα(σχήμα 14): 80 bits 16 bits 12 bits 4 bits 16 bits Variable Sync SFD PLW PSF HEC Data Preamble Header Σχήμα 14: Μορφή πλαισίου υποστρώματος PLCP στο

37 PLCP Preamble Χρησιμεύει για τον συγχρονισμό πομπού και δέκτη και για τον ορισμό της αρχής του πλαισίου. Περιέχει τα πεδία : Sync : Το πεδίο αυτό περιέχει μία ακολουθία από εναλλασσόμενα «0» και «1» και χρησιμεύει για την επίτευξη συγχρονισμού μεταξύ πομπού και δέκτη. Επιπλέον χρησιμοποιείται και για άλλους σκοπούς, όπως για παράδειγμα μέτρηση συχνότητας του λαμβανόμενου σήματος ή ανίχνευση δυνατότερου σήματος σε συστήματα που χρησιμοποιούν περισσότερες της μίας κεραίες. Start Frame Delimiter (SFD) : Το πεδίο αυτό σηματοδοτεί το τέλος του preamble και την αρχή του υπόλοιπου πλαισίου. Περιέχει την ακολουθία « ». PLCP Header Η επικεφαλίδα του πλαισίου, περιέχει τα πεδία : PSDU Length Word (PLW) : Το μήκος του MAC πλαισίου που κουβαλάει το PLCP πλαίσιο. Μπορεί να είναι μέχρι 4095 bytes. PLCL Signaling (PSF) : Το πρώτο bit είναι δεσμευμένο για μελλοντική χρήση και τίθεται πάντα «0». Στα υπόλοιπα τρία κωδικοποιείται ο χρησιμοποιούμενος ρυθμός μετάδοσης. Παρόλο που το πρότυπο ορίζει ρυθμούς μετάδοσης από 1 Mbps μέχρι και 4,5 Mbps, με διαφορά διαδοχικών ρυθμών 500 kbps, έχει οριστεί σχήμα διαμόρφωσης μόνο για τους ρυθμούς 1 και 2 Mbps. Header Error Check (HEC) : Το πεδίο αυτό περιέχει έναν 16-μπιτο CRC που προστατεύει την επικεφαλίδα (header) του πλαισίου. Data Το τμήμα αυτό περιέχει το MAC πλαίσιο. Πριν την τοποθέτησή του περνάει από μια διαδικασία ανακατώματος προκειμένου να μοιάζει με λευκό θόρυβο (whitening). Σε αντίθεση με το Direct Sequence φυσικό στρώμα, μόνο το τμήμα Data υπόκειται σε αυτήν την διαδικασία και όχι ολόκληρο το PLCP πλαίσιο. 37

38 1.7.3.Φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος άμεσης ακολουθίας (DSSS) Στην τεχνική αυτή κάθε bit του αρχικού σήματος αντιπροσωπεύεται στο διεσπαρμένο σήμα από ένα πλήθος bit. Αυτό μπορεί να γίνει με τον δυαδικό πολλαπλασιασμό (XOR) των bit δεδομένων με μια ακολουθία ψευδοτυχαίων bit υψηλότερου ρυθμού η οποία είναι γνωστή ως κώδικας chip[27]. Η ροή που προκύπτει έχει ρυθμό ίσο με αυτόν του κώδικα chip, και εισάγεται σε έναν διαμορφωτή ο οποίος την μετατρέπει σε αναλογική μορφή προκειμένου να μεταδοθεί. Ουσιαστικά η διαμόρφωση του σήματος επιτυγχάνεται πολλαπλασιάζοντας το σήμα πληροφορίας με μία ψευδοτυχαία ακολουθία από bits (Pseudo-random numerical seqence). Στη συνέχεια, το αποτέλεσμα διαμορφώνεται χρησιμοποιώντας δυαδική ή ορθογωνική διαφορική μεταλλαγή μετατόπισης φάσης (DBPSK ή DQPSK). Έτσι, το σήμα διευρύνεται σε μία μεγάλη περιοχή συχνοτήτων, χωρίς, όμως, να χάσει την συνολική του ενέργεια, και το φάσμα του μοιάζει σαν αυτό του θορύβου. Στον δέκτη ακολουθείται η αντίστροφη διαδικασία χρησιμοποιώντας την ίδια ψευδοτυχαία ακολουθία από bits, και γίνεται η επανάκτηση του αρχικού σήματος πληροφορίας. Η μέθοδος αυτή μπορεί να εξάγει ένα σήμα δεδομένων μέσα από παρεμβολές και θόρυβο στενής ζώνης, γεγονός που οδηγεί σε λιγότερες αναμεταδόσεις, ενισχύοντας έτσι την συνολική απόδοση του συστήματος. Έτσι η πιθανότητα εμφάνισης παρεμβολών είναι μικρότερη από εκείνη των αντίστοιχων συστημάτων μεταπήδησις συχνότητας. Επίσης επιτρέπει την ταυτόχρονη λειτουργία διαφορετικών ασύρματων δικτύων. Οι ταχύτητες που υποστηρίζονται είναι της τάξης των 1 Mbps με DBPSK και των 2 Mbps με DQPSK. Χρησιμοποιούνται 11 συχνότητες στην Αμερική και 13 στην Ευρώπη, αλλά η συχνότητα επικοινωνίας παραμένει κάθε φορά σταθερή, αντίθετα με το Διευρυμένο Φάσμα με διαμόρφωση συχνότητας κατά διαστήματα (FHSS), και το κάθε κανάλι καταλαμβάνει 22 MHz Η γενική μορφή του πλαισίου του υποστρώματος PLCP στο ΙΕΕΕ , δίδεται στο παρακάτω σχημα(σχημα 15): Σχήμα 15: Μορφή πλαισίου υποστρώματος PLCP στο

39 Οφείλουμε να τονίσουμε ότι πριν τη μετάδοση, ολόκληρο το πλαίσιο υπόκειται στη διαδικασία του ανακατώματος (scrambling), η οποία αλλάζει τη διάταξη των bits του, ώστε να τους δώσει μια πιο τυχαία κατανομή. Στη συνέχεια περιγράφονται τα διάφορα τμήματα του PLCP πλαισίου. PLCP Preamble Το τμήμα αυτό χρησιμεύει για το συγχρονισμό πομπού και δέκτη και για τη δήλωση της αρχής του πλαισίου. Περιέχει τα πεδία : Sync : Πεδίο του preamble, αποτελείται εξολοκλήρου από bits «1» και χρησιμεύει στον συγχρονισμό του δέκτη. SFD (Start Frame Delimiter) : Πεδίο του preamble, χρησιμεύει στον δέκτη για τον εντοπισμό της αρχής του πλαισίου. Η τιμή του είναι « ». PLCP Header Η επικεφαλίδα του PLCP πλαισίου, αποτελείται όπως φαίνεται στο παραπάνω σχημα(σχημα 15), από τα επιμέρους πεδία : Signal : Σε αυτό το πεδίο κωδικοποιείται κατάλληλα ο ρυθμός μετάδοσης (1 ή 2 Mbps). Service : Το πεδίο αυτό είναι διαθέσιμο για μελλοντική χρήση, έχει όλα τα bits ίσα με «0». Length : Περιέχει τον αριθμό των microseconds που χρειάζονται για την εκπομπή του πλαισίου ως 16-μπιτου ακεραίου χωρίς πρόσημο. CRC : Κυκλικός κώδικας πλεονασμού (Cyclic Redundancy Code) που προστατεύει τα υπόλοιπα πεδία του header. Data Πρόκειται για το MAC πλαίσιο και δεν υπάρχει κανένας περιορισμός σχετικά με το τμήμα αυτό Φυσικό επίπεδο ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας (OFDM) Με την χρήση της ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) το μεταδιδόμενο σήμα διασπείρεται σε μια ευρεία περιοχή συχνοτήτων. Η πολύπλεξη αυτή αποτελεί μια μόρφή μετάδοσης πολλαπλών φορέων διαιρώντας το διαθέσιμο φάσμα σε πολλούς φορείς, καθένας απ' τους οποίους διαμορφώνεται από μια ροή δεδομένων χαμηλού ρυθμού με την χρήση της διαμόρφωσης μετατόπισης φάσης(psk)[25]. Η ορθογωνικής 39

40 πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας επιτρέπει την πρόσβαση πολλών χρηστών με την υποδιαίρεση του διαθέσιμου εύρους ζώνης σε πολλά κανάλια τα οποία διατίθενται στους χρήστες.η πολύπλεξη OFDM αντιμετωπίζει αποτελεσματικά διασυμβολικές παρεμβολές. Τα σύμβολα της OFDM παρατείνονται με τεχνητό τρόπο, με την περιοδική επανάληψη της «ουράς» του συμβόλου πριν την μετάδοση του ίδιου του συμβόλου. Στο δέκτη, το αποκαλούμενο διάστημα προστασίας και αφαιρείται και πάλι. Εφόσον το μήκος του αυτού του διαστήματος είναι μεγαλύτερο από τη μέγιστη καθυστέρηση καναλιού, όλες οι αντανακλάσεις των προηγούμενων συμβόλων αφαιρούνται και η ορθογωνιότητα διατηρείται. Ωστόσο, επειδή το διάστημα προστασίας προηγείται του χρήσιμου τμήματος του συμβόλου, χάνονται μερικά τμήματα του σήματος τα οποία δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν για τη μετάδοση πληροφοριών. Οι ταχύτητες που υποστηρίζονται λόγω αυτής της προσέγγισης κυμαίνονται από 6 εώς 54 Mbps. Οι ρυθμοί μετάδοσης που υποχρεωτικά πρέπει να υποστηρίζονται είναι αυτοί των 6, 12 και 24 Mbps. Ανάλογα με τον ρυθμό μετάδοσης, και στα δυο πρότυπα υιοθετούνται, μαζί με την τεχνική ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας, και οι τεχνικές 16-Quadrature Amplitude Modulation (16-QAM) ή 64-QAM 1.8.Υποεπίπεδο MAC Εκτός από το φυσικό επίπεδο, το πρότυπο ΙΕΕΕ προσδιορίζει και το υποεπίπεδο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο(mac- Media Access Control). Το υποεπίπεδο MAC είναι υπεύθυνο για την παραχώρηση του ασύρματου καναλιού σε ένα σταθμό, ώστε να μεταδώσει ένα πακέτο, για την διευθυνσιοδότηση των πακέτων του πρωτοκόλλου(pdu Protocol Data Units), την μορφή των πλαισίων(frames), τον έλεγχο λαθών, τον τεμαχισμό και την επανασυγκόληση των πακέτων. Συγκεκριμένα καθορίζεται ένα μοναδικό υποεπίπεδο MAC για χρήση σε συνδυασμό με μια από τις παραπάνω υλοποιήσεις του φυσικού επιπέδου[1][2][5]. Το ορίζει δύο υπηρεσίες για την παραχώρηση του ασύρματου μέσου στο υποεπίπεδο MAC: την κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού(dcf Distributed Coordination Function) και την σημειακή συνάρτηση συντονισμού(pcf Point Coordination Function). Η PCF προσφέρεται μόνο για δίκτυα υποδομής. Η DCF ρυθμίζει την ασύγχρονη κυκλοφορία του δικτύου, καθώς ορίζει τα χρονικά διαστήματα στα οποία οι σταθμοί ανταγωνίζονται μεταξύ τους για την πρόσβαση στο μέσο, για κάθε πακέτο που προσπαθούν να στείλουν. Αυτά τα χρονικά διαστήματα ονομάζονται Cps(Contention Periods). Η PCF μπορεί να λειτουργήσει χωρίς ανταγωνισμό, δηλαδή CFP(Contention Free Period). Στην εργασία αυτή επικεντρωνόμαστε στην κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού(dcf), η οποία είναι η κύρια μέθοδος πρόσβασης στο κοινό μέσο στα αδόμητα(ad hoc) δίκτυα. 40

41 1.8.1.Είδη Πλαισίων(Frames) Το πρότυπο ΙΕΕΕ υποστηρίζει τρεις τύπους πλαισίων: τα πλαίσια δεδομένων (data frames), τα πλαίσια ελέγχου (control frames) και τα πλαίσια διαχείρισης (management frames).τα πλαίσια δεδομένων χρησιμοποιούνται για την αποστολή δεδομένων κατά την διάρκεια των περιόδων CP CFP. Τα πλαίσια ελέγχου χρησιμοποιούνται για την ανταλλαγή χειραψίας(handshake RTS-CTS) μεταξύ των σταθμών πριν από μια συνομιλία κατά την διάρκεια της περιόδου ανταγωνισμού(cp), για την μετάδοση επιβεβαιώσεων(ack) κατά την διάρκεια αυτής της περιόδου ανταγωνισμού και για την λήξη της περιόδου χωρίς ανταγωνισμό(cfp)[1][2][5][16]. Τέλος, τα πλαίσια διαχείρισης χρησιμοποιούνται για την συσχέτιση των σταθμών στο σημείο πρόσβασης, για τον συγχρονισμό των κόμβων του δικτύου και για την πιστοποίησή τους. Κάθε πλαίσιο αποτελείται από τρία τμήματα όπως παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα(σχήμα 16): την Επικεφαλίδα του υποεπιπέδου ελέγχου πρόσβασης μέσου (MAC Header), το Σώμα πλαισίου (Frame Body) και την Ακολουθία ελέγχου πλαισίου (Frame Check Sequence FCS). Σχήμα 16: Πλαίσια 41

42 Το τμήμα του MAC Header χωρίζεται σε επτά υποτμήματα: Έλεγχος πλαισίου (Frame Control), Διάρκεια/αναγνώριση (Duration / Identification - ID), Διεύθυνση 1 (Address 1), Διεύθυνση 2 (Address 2), Διεύθυνση 3 (Address 3), Έλεγχος ακολουθίας (Sequence Control) και Διεύθυνση 4 (Address 4). Το τμήμα Έλεγχος πλαισίου(frame Control) χωρίζεται στα υποτμήματα: Έκδοση του πρωτοκόλλου (Protocol Version), Τύπος (Type), Υπότυπος (Subtype), τα τμήματα Προς σύστημα διανομής (To DS), από σύστημα διανομής (From DS), τμήμα Περισσότερα τεμάχια (More Fragments), τμήμα Eπαναεκπομπής (Retry), Διαχείριση ισχύος (Power Management), τμήμα Περισσότερα δεδομένα (More data), τμήμα κωδικοποίησης WEP (Wired Equivalent Privacy) και τμήμα Σειράς (Order). Το τμήμα της Διάρκειας/αναγνώρισης περιέχει ανάλογα με το είδος του πλαισίου, είτε την διάρκεια κράτησης του μέσου από κάποιο τερματικό, είτε τον αριθμό αναγνώρισης του βασικού συνόλου εξυπηρέτησης (BSSID). Το τμήμα του Σώματος πλαισίου (Frame Body) περιέχει: τα δεδομένα που στέλνει ένα τερματικό, όταν πρόκειται για πλαίσιο δεδομένων, ή κάποιες άλλες πληροφορίες χρήσιμες για την λειτουργία του δικτύου, όταν πρόκειται για πλαίσιο διαχείρισης του δικτύου. Σε κάποια είδη πλαισίων μπορεί το τμήμα του Σώματος πλαισίου να μην χρησιμοποιείται και γι' αυτό παραλείπεται. Το τμήμα Ακολουθία ελέγχου πλαισίου (Frame Check Sequence FCS) χρησιμοποιείται στην επαλήθευση της σωστής λήψης του πλαισίου. Στο τμήμα αυτό περιέχεται μία τιμή που προκύπτει από έναν κώδικα που ονομάζουμε Κυκλικό κώδικα ελέγχου σφάλματος με τη μέθοδο προσθήκης πλεονασμού (32-bit Cyclic Redundancy Code - CRC), ο οποίος αναφέρεται στο προηγούμενο τμήμα του πακέτου, δηλαδή στην Επικεφαλίδα και στο Σώμα πλαισίου. Ο παραλήπτης του πακέτου χρησιμοποιεί τον ίδιο κώδικα για το ίδιο τμήμα του πακέτου και συγκρίνει την τιμή που βρίσκει με αυτήν που είναι απoθηκευμένη στο τμήμα της Ακολουθίας ελέγχου πλαισίου. Έτσι, μπορεί να καταλάβει αν το πακέτο που έλαβε έχει σταλεί σωστά, όταν οι δύο αριθμοί ταυτίζονται, ή αν έγινε κάποιο λάθος κατά την μετάδοσή του, όταν οι αριθμοί είναι διαφορετικοί Κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού(dcf) Η κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού είναι όπως προαναφέραμε, η βασική μέθοδος πρόσβασης στο μέσο όσο αφορά την ασύγχρονη κυκλοφορία ενός ασυρμάτου δικτύου. Η DCF λειτουργεί μόνη της και αποτελεί την βάση συντονισμού της κυκλοφορίας του ασύρματου καναλιού. Κάποιες φορές βέβαια συνυπάρχει με την PCF στα δίκτυα υποδομής[1][2][5]. Η DCF 42

43 προβλέπει ότι όταν ένας σταθμός έχει ένα προς αποστολή MSDU(Mac Service Data Unit) πρέπει να ανταγωνιστεί για πρόσβαση στο ασύρματο μέσο. Αφού σταλεί αυτό το πλαίσιο, ο σταθμός πρέπει να ξαναδιεκδικήσει την πρόσβαση στο μέσο για τα υπόλοιπα πλαίσια που θέλει να μεταδώσει.έτσι λοιπόν, η DCF προσφέρει ίσα δικαιώματα για πρόσβαση στο κανάλι σε όλους τους σταθμούς του δικτύου. Η DCF βασίζεται σε ένα πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος σήματος και αποφυγής συγκρούσεων, δηλαδή το CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) Σημειακή συνάρτηση συντονισμού(pcf) Η σημειακή συνάρτηση συντονισμού αποτελεί μια προαιρετική δυνατότητα του ΙΕΕΕ , ώστε να εξυπηρετεί υπηρεσίες που απαιτούν συνεχή πρόσβαση στο μέσο, παρέχοντας τη δυνατότητα μετάδοσης σε περιόδους χωρίς ανταγωνισμό(cfp). Η συνάρτηση αυτή βασίζεται στον σημειακό συντονιστή(pc), ο οποίος χρησιμοποιεί την τεχνική polling δίνοντας την δυνατότητα στους σταθμούς που βολιδοσκοπούνται, να μεταδώσουν χωρίς να ανταγωνιστούν για την πρόσβαση στο μέσο[1][2][5]. Η λειτουργία του PC πραγματοποιείται από το σημείο πρόσβασης(ap) του κάθε BSS. Οι κόμβοι του BSS που μπορούν να στείλουν κατά την διάρκεια μιας περιόδου χωρίς ανταγωνισμό λέγονται Contention Free(CF), ενήμεροι. Για να μπορέσει να λειτουργήσει η PCF προϋποθέτει να λειτουργήσει η DCF. Το διάστημα επανάληψης της CFP, καθορίζει την συχνότητα με την οποία η PCF συμβαίνει. Έτσι, σε κάθε κύκλο της περιόδου χωρίς ανταγωνισμό ένα μέρος ανατίθεται στην CFP και το υπόλοιπο ανατίθεται στην κυκλοφορία με ανταγωνισμό(cp). Η περίοδος CFP ξεκινάει με ένα πλαίσιο που εκπέμπεται στο μέσο από το AP, ώστε να συγχρονίσει όλους τους κόμβους εντός του BSS. Η διάρκεια του διαστήματος επανάληψης CFP είναι παραμετροποιήσιμη και επιπλέον ακέραιο πολλαπλάσιο της εδιάρκειας εκπομπής ενός πλαισίου. Εφόσον αποφασιστεί ο ρυθμός επανάληψης της CFP, τότε έχει καθοριστεί η διάρκεια της CFP. Η μέγιστη διάρκεια της καθορίζεται από την παράμετρο CFP_MAX_DURATION. Η μικρότερη τιμή της παραμέτρου μπορεί να είναι ίση με την διάρκεια που απαιτείται για την αποστολή δύο MPDU. Η μέγιστη τιμή της παραμέτρου είναι ίση με το διάστημα επανάληψης της CFP μείον τον χρόνο που απαιτείται για την επιτυχημένη αποστολή ενός MPDU κατά της διάρκεια της CP. Έτσι, ο χρόνος πρέπει να διαμοιραστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορέσει να μεταδοθεί τουλάχιστον ένα MPDU κατά την διάρκεια της CP. 43

44 1.8.4.Διαπλαισιακά Χρονικά Διαστήματα(IFS) Η κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού χρησιμοποιεί τα εξής είδη διαστημάτων (InterFrame Spaces - IFS) μεταξύ των διαδοχικών πλαισίων[2][5][14]. Το μικρότερο από αυτά ονομάζεται SIFS (Short InterFrame Space) και χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις αποστολής κάποιας άμεσης απάντησης, όπως ενός πλαισίου CTS ή ACK, ή για την αποστολή του πακέτου δεδομένων αμέσως μετά την λήψη ενός έγκυρου CTS. Το επόμενο σε μέγεθος είναι το PIFS (Point coordination function InterFrame Space), το οποίο χρησιμοποιείται στην λειτουργία PCF για να καταληφθεί το κανάλι από το τερματικό που θα δίνει την άδεια χρήσης του καναλιού στα υπόλοιπα τερματικά. Αμέσως μεγαλύτερο είναι το DIFS (Distributed coordination function InterFrame Space), το οποίο εκφράζει και την μικρότερη δυνατή καθυστέρηση ανάμεσα στην εκπομπή δύο διαδοχικών πακέτων δεδομένων στην λειτουργία DCF. Τέλος, το μεγαλύτερο σε μέγεθος είναι το EIFS (Extended InterFrame Space), το οποίο χρησιμοποιείται στην λειτουργία DCF όταν το φυσικό επίπεδο εντοπίζει ότι έγινε μία λάθος λήψη πλαισίου, και ενημερώνει για αυτό το υπό επίπεδο ελέγχου πρόσβασης μέσου. Μετά, όμως, από την λήψη ενός σωστού πλαισίου κατά την διάρκεια του EIFS, χρησιμοποιείται και πάλι το DIFS. Το EIFS χρησιμοποιείται γιατί δίνει την δυνατότητα στο αποστολέα του λάθους πλαισίου να καταλάβει ότι δεν έγινε σωστή λήψη Carrier Sensing(Ανίχνευση Ασύρματου Μέσου) Η ανίχνευση της κυκλοφορίας του ασύρματου μέσου γίνεται με δύο τρόπους: την ανίχνευση του φυσικού μέσου(physical carrier sensing) και την ανίχνευση του εικονικού μέσου(virtual carrier sensing). Με την ανίχνευση του φυσικού μέσου εντοπίζονται άλλοι χρήστες του δικτύου, αναλύοντας τα πακέτα που ανιχνεύει το κανάλι καθώς, κι αντιλαμβάνεται πιθανή κυκλοφορία στο κανάλι ανιχνεύοντας την σχετική ισχύ του σήματος από άλλες πηγές μέσα στο δίκτυο[1][2][11]. Η ανίχνευση του εικονικού μέσου επιτυγχάνεται περιλαμβάνοντας την διάρκεια του MAC Protocol Data Unit στο header των πακέτων RTS, CTS, DATA. Το MAC Protocol Data Unit, όπως είδαμε και παραπάνω είναι ένα πλαίσιο το οποίο περνάει από το υποεπίπεδο MAC στο φυσικό επίπεδο για να μεταδοθεί. Οι σταθμοί που βρίσκονται εντός του κοινού BSS και ανιχνεύουν το πλαίσιο διαβάζουν το πεδίο διάρκειας(duration field), το οποίο βρίσκεται στην κεφαλίδα του MAC Protocol Data Unit, και θέτουν τον δείκτη κατάληψης του μέσου NAV(Network Allocation Vector) ίσο με αυτή την τιμή.το NAV ουσιαστικά δείχνει το χρονικό διάστημα που πρέπει να περάσει, ώστε ο σταθμός να μπορέσει ξανά να ανιχνεύσει ττην κατάσταση του μέσου. 44

45 1.8.6.CSMA/CA Κατά το πρωτόκολλο CSMA/CA, για να μπορέσει ένας σταθμός να στείλει ένα πακέτο πρέπει πρώτα να ανιχνεύσει το μέσο. Αν το μέσο είναι ελεύθερο, τότε ο σταθμός περιμένει για ένα διάστημα DIFS και ανιχνεύει πάλι το μέσο.αν και πάλι είναι ελεύθερο, τότε ο σταθμός στέλνει το MAC Protocol Data Unit(MPDU) στον παραλήπτη[3][16].ο παραλήπτης με την σειρά του εκτελεί ένα έλεγχο για το αν το μέγεθος του πακέτου συμφωνεί με τις πληροφορίες που βρίσκονται στην κεφαλίδα του.αν συμφωνεί, τότε περιμένει ένα διάστημα SIFS και στέλνει πίσω στον αποστολέα ένα πλαίσιο επιβεβαίωσης της λήψης(ack), ενημερώνοντας τον ότι η αποστολή ήταν επιτυχής. Όταν το πλαίσιο δεδομένων αποστέλλεται, το duration field του χρησιμοποιείται για να ενημερωθούν όσοι σταθμοί βρίσκονται εντός του BSS, το χρονικό διάστημα που θα είναι το μέσο απασχολημένο.τότε, οι σταθμοί που εντοπίζουν το πλαίσιο θέτουν στο NAV τους την συγκεκριμένη χρονική στιγμή, η οποία περιλαμβάνει το πέρασμα ενός SIFS και την απάντηση του σταθμού με ACK, κι έτσι ως τότε περιμένουν ανενεργοί στο δίκτυο Μηχανισμός RTS-CTS Ένας σταθμός, επειδή δεν μπορεί να ανιχνεύσει τις δικές του εκπομπές πακέτων στο ασύρματο δίκτυο, συνεχίζει να στέλνει ολόκληρο το MPDU. Αν το MPDU είναι αρκετά μεγάλο καταναλώνεται μεγάλο μέρος του εύρους του καναλιού, εξαιτίας μιας σύγκρουσης σε ένα MPDU. Έτσι, η DCF χρησιμοποιεί τα RTS(Request To Send) και CTS(Clearance To Send), τα οποία είναι ουσιαστικά, πλαίσια ελέγχου που χρησιμοποιούνται από κάποιο σταθμό για την δέσμευση του καναλιού, ελαχιστοποιώντας έτσι το ποσό του εύρους που καταναλώνεται σε μια περίπτωση σύγκρουσης[17][31]. Η χειραψία RTS-CTS προβλέπει ότι ο αποστολέας ανιχνεύει το μέσο κι αν είναι ελεύθερο, περιμένει για ένα διάστημα DIFS. Αν και πάλι είναι ελεύθερο στέλνει ένα RTS πλαίσιο στον παραλήπτη στον οποίο θέλει να στείλει το MPDU. Οι σταθμοί που ανιχνεύουν το RTS θέτουν αναλόγως το NAV τους και μένουν ανενεργοί μέχρι να ολοκληρωθεί η μετάδοση.ο παραλήπτης περιμένει για ένα διάστημα SIFS και απαντάει με ένα CTS πλαίσιο.οι σταθμοί που ανιχνεύουν το CTS διαβάζουν το duration field ώστε να ενημερώσουν το NAV τους και να μείνουν ανενεργοί μέχρι να ολοκληρωθεί η μετάδοση. 45

46 Με την λήψη του CTS από τον παραλήπτη αποτελεί μια εικονική βεβαίωση ότι το κανάλι είναι ελεύθερο για την αποστολή του MPDU. Η χρήση του μηχανισμού RTS-CTS δίνει λύση στο πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού. Σχήμα 17: μετάδοση MPDU με RTS-CTS Διαδικασία Backoff(τυχαία υποαναχώρηση) Για την αποφυγή των συγκρούσεων στο CSMA/CA χρησιμοποιείται μια διαδικασία Random-Backoff(τυχαία υποαναχώρηση), κατά την οποία όταν ένας σταθμός προσπαθεί να διεκδικήσει το ασύρματο μέσο αλλά αυτό είναι απασχολημένο, τότε περιμένει για ένα διάστημα DIFS μέχρι να ελευθερωθεί. Τότε, υπολογίζει ένα τυχαίο χρόνο υποαναχώρησης, δηλαδή έναν μετρητή που αντιστοιχεί σε αριθμό χρονικών σχισμών(slot time)[1][2][17]. 46

47 Αρχικά υπολογίζει ένα χρόνο υποαναχώρησης μεταξύ του 0 και του 7. Αν το μέσο μείνει ελύθερο για διάστημα DIFS, οι σταθμοί μειώνουν κατά ένα τον μετρητή υποαναχώρησης για κάθε χρονική σχισμή που το μέσο παραμένει ελεύθερο και κανένας μετρητής δεν έχει μηδενιστεί.αν ο μετρητής δεν έχει φτάσει στο μηδέν και το μέσο απασχοληθεί, τότε ο σταθμός σταματά τον μετρητή του.αν ένας μετρητής φτάσει στο μηδέν, τότε ο σταθμός στέλνει το πλαίσιό του. Αν ο μετρητής δύο ή περισσοτέρων φτάσει ταυτόχρονα στο μηδέν τότε γίνεται σύγκρουση και κάθε σταθμός πρέπει να υπολογίσει νέο χρόνο υποαναχώρησης αλλά αυτή τη φορά μεταξύ 0 και 15. Για κάθε προσπάθεια επαναποστολής, ο χρόνος υποαναχώρησης μεγαλώνει κατά τον τύπο [2^(2+i)*rand], όπου I είναι ο αριθμός των συνεχόμενων φορών που επιχειρεί να στείλει ο σταθμός ένα MPDU, και rand είναι μια συνάρτηση που παράγει τυχαία ένα αριθμό κανονικής κατανομής μεταξύ 0 και 1. Ο χρόνος υποαναχώρησης ισούται με το αποτέλεσμα αυτού του τύπου στογγυλοποιημένο προς τα κάτω. Η περίοδος που το μέσο είναι ελεύθερο μετά από διάστημα DIFS ονομάζεται CW(παράθυρο ανταγωνισμού). Έτσι, υπάρχει δίκαιη κατανομή του μέσου, αφού όλοι οι σταθμοί ισοπίθανα μπορούν να αποκτήσουν πρόσβαση κι επιπλέον κάθε σταθμός μετά την αποστολή ενός MPDU πρέπει ξανά να ανταγωνίζεται για πρόσβαση στο κανάλι. 47

48 48

49 Κεφάλαιο 2ο Πρωτόκολλο MAC με χρήση του Έλεγχου Ισχύος 2.1.Προβλήματα Ασυρμάτων Τοπικών Δικτύων Στα ασύρματα τοπικά δίκτυα, δεν μπορούμε να κάνουμε λόγο για μια πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία μεταξύ των σταθμών που απαρτίζουν το ασύρματο αυτό τοπικό δίκτυο. Έτσι λοιπόν, παρουσιάζονται τα προβλήματα των κρυμμένων και εκτεθειμένων τερματικών, όπως αναλύονται παρακάτω. 2.2.Πρόβλημα Κρυμμένου Τερματικού(Hidden Node Problem) Σχήμα 18: Πρόβλημα Κρυμμένου Τερματικού 49

50 Όπως βλέπουμε στο παραπάνω σχήμα(σχήμα 18), ο σταθμός C δεν βρίσκεται στην εμβέλεια του σταθμού A. Έτσι, δεν μπορεί να ανιχνεύσει το φέρον σήμα του σταθμού A. Αν λοιπόν, κατά την διάρκεια αποστολής ενός πακέτου δεδομένων από τον A στον B, ο C προσπαθήσει να μεταδώσει ένα πακέτο τότε θα υπάρξει σύγκρουση μεταξύ των πακέτων του C με τον A και ο B τελικά δεν θα λάβει κανένα πακέτο δεδομένων[29]. Μια λύση για τα δίκτυα μικρής όμως έκτασης, είναι να αυξήσουμε την ισχύ εκπομπής των σταθμών, ώστε ο κάθε σταθμός να μπορεί να ανιχνεύσει την δραστηριότητα των υπολοίπων σταθμών. Αυτό δεν είναι πάντα δυνατόν, γι' αυτό το πρωτόκολλο κάνει χρήση του μηχανισμού RTS-CTS, όπως περιγράψαμε παραπάνω. 2.3.Πρόβλημα Εκτεθειμένου Τερματικού(Exposed Node Problem) Σχήμα 19: Πρόβλημα Εκτεθειμένου Τερματικού 50

51 Το πρόβλημα του εκτεθειμένου τερματικού παρουσιάζεται όταν, ένας σταθμός αναβάλλει την μετάδοση επειδή ανιχνεύει το φέρον σήμα κάποιου άλλου σταθμού, παρόλο που η μετάδοση αυτή δεν θα προκαλούσε σύγκρουση σε κανέναν από τους παραλήπτες αυτών των δύο σταθμών. Όπως βλέπουμε στο παραπάνω σχήμα(σχήμα 19), ο σταθμός B στέλνει πακέτο δεδομένων στο σταθμό A. Ο σταθμός C βρίσκεται εντός της εμβέλειας του σταθμού B αλλά όχι του σταθμού A. Αυτό σημαίνει ότι ο C δεν μπορεί να προκαλέσει σύγκρουση με τη μετάδοση του B στον A σε καμιά περίπτωση. Αν όμως, ο C θέλει να μεταδώσει στον D, θα πρέπει να περιμένει να ολοκληρωθεί η μετάδοση από τον B στον A, παρόλο που η ταυτόχρονη μετάδοση δεν θα δημιουργούσε συγκρούσεις[30]. 2.4.Λύσεις των Προβλημάτων Κρυμμένου και Εκτεθειμένου Τερματικού Για την αντιμετώπιση των προβλημάτων του κρυμμένου και του εκτεθειμένου τερματικού, που περιγράψαμε παραπάνω, έχουν προταθεί και χρησιμοποιηθεί διάφορα πρωτόκολλα και τεχνικές. Κάποιες από αυτές ενδεικτικά είναι: Η χρήση του μηχανισμού RTS-CTS Ο μηχανισμός αυτός, όπως προαναφέραμε, προσπαθεί να αντιμετωπίσει το πρόβλημα των «κρυφών τερματικών». Τα πακέτα RTS και CTS ενημερώνουν τους γείτονες και των δυο κόμβων για την διάρκεια της επικείμενης μετάδοσης, δηλαδή για την χρονική διάρκεια εκπομπής του πλαισίου δεδομένων αλλά και του αντίστοιχου πλαισίου επιβεβαίωσης συνολικά. Αυτή η πληροφορία όπως προαναφέθηκε διανέμεται σε όλους τους σταθμούς, τόσο στην περιοχή του πομπού (από το RTS) όσο και στην περιοχή του δέκτη (από το CTS), και αποθηκεύεται στον Πίνακα Διανομής Δικτύου (Net Allocation Vector - NAV) που υπάρχει για αυτόν τον λόγο σε κάθε σταθμό. Έτσι, για να αποφασίσει κάποιος αν το μέσο είναι ελεύθερο ή απασχολημένο, θα πρέπει να χρησιμοποιήσει τόσο την φυσική όσο και την εικονική ανίχνευση φέροντος. Με άλλα λόγια το μέσο θα είναι ελεύθερο μόνο όταν «ακούγεται» ελεύθερο αλλά και η τιμή του πίνακα NAV είναι 0. 51

52 Η χρήση της εικονικής ανίχνευσης φέροντος παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα, συγκριτικά με την απλή μέθοδο, γιατί αποφεύγονται πολλές συγκρούσεις αφού διανέμεται προς όλα τα τερματικά η απαιτούμενη χρονική διάρκεια κατάληψης του μέσου για την κάθε εκπομπή[17] Αυξάνοντας την ισχύ εκπομπής των κόμβων Αν αυξήσουμε την ισχύ εκπομπής των κόμβων μπορεί να λυθεί το πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού, αφού η εκπομπή γύρω από τον κόμβο θα αυξηθεί σε μέγεθος περιλαμβάνοντας τους άλλους κόμβους[14]. Αυτή η ρύθμιση επιτρέπει στους μη-κρυμμένους κόμβους να ακούσουν τον κρυμμένο κόμβο κι έτσι ο κρυμμένος κόμβος δεν θα είναι πια κρυμμένος. Επειδή στα ασύρματα δίκτυα χρησιμοποιείται το CSMA/CA, οι κόμβοι περιμένουν την σειρά τους πριν επικοινωνήσουν με το σημείο πρόσβασης. Η λύση αυτή είναι εφικτή μόνο αν αυξήσουμε την ισχύ εκπομπής σε κόμβους που είναι κρυμμένοι Omnidirectional antennas Δεδομένου ότι οι κόμβοι που χρησιμοποιούν κατευθυντικές κεραίες είναι σχεδόν αόρατοι σε κόμβους που δεν είναι τοποθετημένοι προς την κατεύθυνση που η κεραία έχει ως στόχο, οι κατευθυντικές κεραίες θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο για πολύ μικρά δίκτυα(π.χ point-to point connections)[28]. Είναι προτιμότερη λοιπόν, η χρήση omnidirectional antennas για ευρείας περιοχής δίκτυα που αποτελούνται από περισσότερα από δύο κόμβους Άρση Εμποδίων Μια άλλη λύση είναι, η άρση εμποδίων. Πολλές φορές σε ένα δίκτυο μπορεί ένας κόμβος να είναι πίσω από ένα τσιμεντένιο ή ατσάλινο εμπόδιο με αποτέλεσμα να υπάρχει πρόβλημα επικοινωνίας με άλλους κόμβους και συνεπώς να εμφανίζεται το πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού. Έτσι, καλό είναι να υπάρχει μια πρόληψη του χώρου και συγκεκριμένα για εμπόδια κατά τον σχεδιασμό του δικτύου. 52

53 2.4.5.Μετακίνηση Κόμβων Ακόμη μια μέθοδος του δίνει λύση στο πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού είναι η μετακίνηση των κόμβων. Κι αυτό μπορεί να γίνει συγκεκριμένα, αν μετακινήσουμε τους κόμβους του δικτύου έτσι ώστε όλοι να ακούν όλους μέσα στο δίκτυο, εάν είναι εφικτό αυτό. Ή αλλίώς να υπάρχει πρόληψη για την κάλυψη του δικτύου με πρόσθετα σημεία πρόσβασης WiCCP Μια μέθοδος που έχει παρατηρηθεί είναι η χρήση του πρωτοκόλλου WiCCP (Wireless Central Coordinated Protocol). Πρόκειται για ένα πρωτόκολλο άμεσα συνδεδεμένο με την DCF του b που χρησιμοποιεί την κυκλική(cyclic token-passing) πρόσβαση στο μέσο και κατανέμει έτσι τους διαθέσιμους πόρους του δικτύου εξαλείφοντας το πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού Πρωτόκολλο BTMA(Busy Tone Multiple Access) Το πρωτόκολλο αυτό χρησιμοποιεί δύο διαφορετικά κανάλια. Το Control channel (στενού εύρους). Παρουσία busy tone σε αυτό δηλώνει την μετάδοση δεδομένων στο data channel. Το Data channel. Έτσι, όταν ένας σταθμός θέλει να κάνει εκπομπή ακροάται το control channel. Εάν είναι idle μεταδίδει το πακέτο του στο data channel. Εάν είναι busy αναβάλλει την μετάδοση. Αν ένας σταθμός ακούσει μια μετάδοση στο data channel, εκπέμπει busy tone μέχρι να τελειώσει η μετάδοση. Συνεπώς, για δύο σταθμούς εμβέλειας R, όλοι στη γειτονιά ακτίνας 2R, από σταθμό Α παραμένουν σιωπηλοί όσο ο Α μεταδίδει. Με το πρωτόκολλο αυτό μειώνεται σημαντικά η περίπτωση κρυμμένου τερματικού. Λόγω όμως, της ακτίνας 2R για inactivity αυξάνεται η περίπτωση εκτεθειμένου τερματικού. 53

54 2.4.8.Πρωτόκολλο RI-BTMA(Receiver-Initiated BTMA) Το πρωτόκολλο αυτό έρχεται να λύσει το πρόβλημα του BTMA. Εδώ, μόνο ο αποδέκτης μιας εκπομπής πακέτου εκπέμπει το busy tone.αυτό δημιουργεί inactivity region ακτίνας R γύρω από τον αποδέκτη και έχει ως αποτέλεσμα την μείωση των εκτεθειμένων τερματικών Πρωτόκολλο WCD(Wireless Collision Detection) Το πρωτόκολλο αυτό συνδυάζει τα BTMA και RI-BTMA.Εδώ, υπάρχει η δυνατότητα δύο διαφορετικών σημάτων στο control channel. Μόλις ένας σταθμός ακούσει traffic εκπέμπει collission signal στο control channel(btma μέρος). Μόλις γίνει γνωστή η διεύθυνση του παραλήπτη, οι υπόλοιποι εκτός του παραλήπτη σταματάνε το collission signal(ri-btma μέρος) Πρωτόκολλο MACA(Medium Access Collision Avoidance) Εδώ, ο αποστολέας S εκπέμπει πακέτου ελέγχου RTS. Ο παραλήπτης R εφόσον μπορεί να παραλάβει το RTS απαντάει με CTS πακέτο ελέγχου στον S. Οι γειτονικοί σταθμοί του S περιμένουν χρονικό διάστημα για επιτυχή αποστολή του CTS. Οι γειτονικοί σταθμοί του R περιμένουν χρονικό διάστημα για επιτυχή αποστολή DATA από τον S. Μετά την παραλαβή του CTS ο S εκπέμπει DATA πακέτο δεδομένων. Άλλες τεχνικές και πρωτόκολλα που δίνουν λύση στο πρόβλημα κρυμμένων και εκτεθειμένων τερματικών είναι: το πρωτόκολλο FAMA(Floor Acquisition Multiple Access), πρωτόκολλο MACA-BI(MACA By Invitation), πρωτόκολλο MACAW(Medium Access Collision Avoidance for Wireless). 54

55 2.5.Power-Controlled Reduction of Exposed Terminals in Ad- Hoc Wireless LANs Στα ασύρματα τοπικά δίκτυα, μπορούμε να μειώσουμε τα προβλήματα που περιγράψαμε παραπάνω, και να αυξήσουμε την απόδοση του δικτύου κάνοντας χρήση ενός πρωτοκόλλου MAC με έλεγχο ισχύος[7][9][15]. Η λειτουργία αυτού του πρωτοκόλλου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα(σχήμα 20), και περιγράφεται παρακάτω σύμφωνα με τις ενέργειες που εκτελούν ο αποστολέας(sender-s), ο παραλήπτης(receiver-r), οι γειτονικοί κόμβοι του αποστολέα(ns) και οι γειτονικοί κόμβοι του παραλήπτη(nr). Υποθέτουμε ότι κάθε σταθμός του δικτύου είναι ικανός να μεταδώσει πακέτα δεδομένων στο επιθυμητό επίπεδο ισχύος σήματος. Σχήμα 20: Πρωτόκολλο MAC με Έλεγχο Ισχύος 55

56 2.5.1.Η Λειτουργία του Πρωτοκόλλου με Έλεγχο Ισχύος Η κύρια ιδέα αυτού του πρωτοκόλλου είναι ότι ο receiver του RTS πακέτου, απαντά με ένα πακέτο CTS μεταδιδόμενο με μικρότερη ισχύς, ώστε να μην μπλοκάρονται οι γείτονές του receiver που βρίσκονται σε μεγαλύτερη απόσταση σε σχέση με την απόσταση μεταξύ του sender και του receiver. Επίσης όταν δύο ή περισσότερα σήματα που μεταδίδονται σε έναν κόμβο, και τα επίπεδα ισχύος μεταξύ τους είναι διακριτά, τότε ο κόμβος μπορεί να πάρει με επιτυχία το σήμα υψηλότερης ισχύος. Σε ένα σενάριο όπου οι δύο κόμβοι S και R επικοινωνούν, εάν το R περιμένει να λάβει ένα πακέτο δεδομένων από το S και την ίδια χρονική στιγμή ο NR μεταδίδει ένα πακέτο, τότε ο κόμβος R μπορεί με ασφάλεια να συμπεράνει ότι η υψηλότερη ισχύς μετάδοσης είναι από τον κόμβο R[7] [8][10]. Αυτό συμπεραίνεται από το γεγονός, ότι ο κόμβος NR μπορεί να μεταδώσει ένα πακέτο και δεν έχει ουσιαστικά αποκλειστεί από τον R, επειδή είναι σε μια ασφαλή απόσταση από τον κόμβο R, σε κάθε άλλη περίπτωση ο κόμβος R θα έχει μπλοκαρισμένο τον κόμβο NR. Αυτό σημαίνει ότι ο κόμβος S είναι πιο κοντά στον R από τον κόμβο NR, έτσι τα σήματα από τον κόμβο S θα φθάσουν στον R σε υψηλότερο επίπεδο ισχύος από ότι τα σήματα από τον κόμβο NR. Τέλος, ο sender μεταδίδει ένα πακέτο DS, μετά τη μετάδοση ενός πακέτου RTS, προκειμένου να απελευθερώσει κάθε γειτονικό κόμβο του sender, η οποία ουσιαστικά έχει αποκλειστεί από το πακέτο RTS, εκτός από το γεγονός ότι βρίσκεται σε μεγαλύτερη απόσταση από τον sender σε σχέση με την απόσταση sender-receiver[7] Sender Receiver(S R) Ο S στέλνει ένα RTS πακέτο (με μέγιστη ισχύ εκπομπής p max ) στον R, με πληροφορία για όλη την χρονική διάρκεια της μετάδοσης των σχετικών πλαισίων RTS- CTS DATA-ACK. Ο R λαμβάνει το πακέτο RTS με ισχύ λήψης p Dist. Από την συναφή πληροφορία του πακέτου ο R εξάγει τις απόστασεις Dist και Χ αντίστοιχα. Η απόσταση Dist+X ορίζει την ακτίνα στην οποία μπορεί να υπάρχει κάποιος NR κόμβος, έτσι ώστε η μετάδοση από τον NR με p max να ληφθεί στον R (με P Dist+X τέτοια ώστε p max P Dist+X <= thresh) και 56

57 να αλλοιώσει ή καταστρέψει το εκπεμπόμενο πακέτο από τον S στον R. Ο R απαντάει πίσω στον S με ένα πακέτο CTS για όλη την διάρκεια της μετάδοσης των σχετικών πλαισίων RTS-CTS-DATA-ACK. Το πακέτο CTS εκπέμπεται με ισχύ p new <= p max, έτσι ώστε το CTS να ληφθεί μόνο από τους κόμβους μέσα στην ακτίνα Dist+X. Με αυτό συνεπάγεται ότι οι κόμβοι έξω από την περιοχή Dist+X γύρω από τον R (δηλαδή οι κόμβοι οι οποίοι δεν θα αλλοιώσουν το πακέτο S-R) δεν θα λάβουν το CTS και επομένως δεν θα μπλοκαριστούν κατά την διάρκεια της μετάδοσης S-R, άρα μειώνονται τα εκτεθειμένα τερματικά O S στέλνει το πακέτο δεδομένων DATA στον R με μέγιστη δυνατή ισχύ εκπομπής p max. Μόλις ο R λάβει το πάκετο δεδομένων, απαντάει με πακέτο επιβεβαίωσης λήψης (ACK) με ισχύ εκπομπής P new <= p max, ώστε το πακέτο να ληφθεί μόνο από τους σταθμούς που βρίσκονται στην περιοχή με ακτίνα Dist + X Γειτονικοί κόμβοι του παραλήπτη(nr) Κάθε φόρα που κάποιος κόμβος NR λαμβάνει ένα πακέτο CTS πρέπει να κάνει αποχή για την κατάληψη του μέσου για όλη την διάρκεια της μετάδοσης Γειτονικοί κόμβοι του αποστολέα(ns) Κάθε φορά που κάποιος κόμβος NS λαμβάνει μόνο ένα RTS, αυτό σημαίνει ότι ο κόμβος αυτός είναι μέσα στην εμβέλεια εκπομπής του S, έτσι πρέπει να μπλοκαριστεί για όλη την διάρκεια της σύγκρουσης μέχρι να λάβει ή όχι ένα DS, ώστε να προστατέψουμε το εισερχόμενο πακέτο επιβεβαίωσης (ACK) από τον R στον S. Αν ο NS δεν λάβει το DS, τότε αυτό σημαίνει ότι ο αποστολέας S δεν έλαβε CTS και ο κόμβος του αποστολέα μπορεί να συνεχίσει την προσπάθεια επικοινωνίας με κάποιον άλλο κόμβο. Αν ο γειτονικός κόμβος του αποστολέα NS, λάβει ένα πακέτο DS, τότε συγκρίνει την ισχύ P CTS (με την οποία ο αποστολέας S έλαβε το πακέτο CTS και η οποία θα είναι η ισχύς με την οποία θα λάβει το πακέτο ACK από τον παραλήπτη) με την ισχύ P DS (η οποία είναι η ισχύς με την οποία ο γειτονικός κόμβος έλαβε το DS και θα είναι η ισχύς με την οποία ο αποστολέας S θα λάμβανε ένα RTS το οποίο θα έστελνε ο γειτονικός κόμβος). Αν P CTS P DS>= thresh τότε ο γειτονικός 57

58 κόμβος θα πρέπει να απέχει από την προσπάθεια να έχει πρόσβαση στο μέσο μιας και μια μετάδοση από αυτόν θα είχε ως αποτέλεσμα την αλλοίωση του πακέτου ACK του παραλήπτη R. Αν κάποιος γειτονικόα κόμβος του αποστολέα S λάβει ένα CTS θα πρέπει να αποφασίσει αν θα απαντήσει με CTS με βάση την παραπάνω πληροφορία. Οποισδήποτε σταθμός δεν λάβει RTS ή CTS απέχει από την πρόσβαση στο μέσο αν διεσθάνεται το μέσο κατειλλημένο Περιγραφή Προσομοίωσης Πωτοκόλλου με Έλεγχο Ισχύος Στην παρούσα διπλωματική εργασία το πρωτόκολλο ελέγχου ισχύος προσομοιώνεται χρησιμοποιώντας τα βασικά σημεία που πιο πάνω περιγράψαμε. Για να γίνει πιο κατανοητή η λειτουργία του ας βασιστούμε στην πιο κάτω περίπτωση. Έστω ότι στο δίκτυο γίνεται μετάδοση, τότε ο αλγόριθμος κοιτάζει την κατάσταση του κάθε σταθμού, δηλαδή αν αυτός μεταδίδει ή θέλει να μεταδώσει. Αν υποθέσουμε ότι κάποιος σταθμός μεταδίδει, τότε ο αλγόριθμος πρώτα «παγώνει» όλους τους ενδεχόμενους σταθμούς που θέλουν να μεταδώσουν στην εμβέλεια αυτού που μεταδίδει μέχρι να ολοκληρωθεί η συγκεκριμένη μετάδοση, δηλαδή όλους τους σταθμούς γείτονες που θέλουν να εκπέμψουν σε εκείνη την χρονική μονάδα, έστω τους NS[7][8][10]. Στην συνέχεια βρίσκει τους σταθμους στην περιοχή του παραλήπτη, έστω τους NR (όπου όμως η περιοχή αυτή καθορίζεται σύμφωνα με την εμβέλεια του αποστολέα), που θέλουν να μεταδώσουν και «παγώνει» μόνο συγκεκριμένους NR σταθμούς μέχρι την ολοκλήρωση της μετάδοσης. Η διαδικασία που ακολουθείται για το μπλοκάρισμα των NR σταθμών είναι η εξής: έστω ο αποστολέας Sender και ο παραλήπτης Receiver, ο sender στέλνει τα πακέτα δεδομένων στον Receiver με μια ισχύς εκπομπής Ps, o Receiver εξαιτίας της εξασθένισης λόγω απόστασης, λαμβάνει την ισχύ του σήματος Ps ως Pr. Συνεχίζοντας, έστω ότι οι γείτονες του Sender είναι οι NS κόμβοι και οι γείτονες του Receiver οι NR κόμβοι (σύμφωνα με την εμβέλεια του Sender), τότε, ο αλγόριθμος βρίσκει τους NR σταθμούς που θέλουν να μεταδώσουν σε εκείνη την χρονική μονάδα και παγώνει μόνο αυτούς, οι οποίοι εάν θα έκαναν εκπομπή με μια ισχύ, έστω την ΝRPs και το σήμα NRPr που θα λαμβανόταν από τον Receiver θα είχε μεγαλύτερη ή ίση ισχύ από ότι/με το σήμα Pr που λαμβάνεται από την εκπομπή Sender-Receiver (δηλαδή αν NRPr >= Pr τότε μπλόκαρε τον NR μέχρι να ολοκληρωθεί η μετάδοση), σχήμα(σχήμα 20). 58

59 Δηλαδή, αν ισχύς του σήματος λήψης στον Receiver από τον NR κόμβο είναι μεγαλύτερη από ότι η ισχύς λήψης του σήματος στον Receiver από τον Sender, τότε ο σταθμός NR πρέπει να μπλοκαριστεί μέχρι να ολοκληρωθεί η μετάδοση, διότι εάν μεταδώσει, ενδεχομένως η ισχύς του σήματος του, θα προσβάλει την μετάδοση που γίνεται ανάμεσα στον Sender-Receiver με αποτέλεσμα να συμβεί σύγκρουση ή αλλοίωση των δεδομένων. Είναι λογικό, διότι για να είναι η μεγαλύτερη ισχύς λήψης στον Receiver από τον NR σε σχέση με την ισχύ λήψης της μετάδοσης Sender-Receiver, σημαίνει ότι είτε ο NR βρίσκεται πολύ κοντά στον Receiver, δηλαδή πιο κοντά από ότι ο Sender από τον Receiver, και άρα σίγουρα μια ενδεχόμενη εκπομπή από αυτόν θα έβλαπτε την εκπομπή Sender-Receiver, είτε η ισχύς εκπομπής του NR είναι μεγαλύτερη της ισχύς του Sender ή και τα δυο. Σε κάθε περίπτωση ο NR σταθμός θα βλάψει την εκπομπή ανάμεσα στον Sender-Receiver, οπότε πρέπει να μπλοκαριστεί μέχρι την ολοκλήρωση της μετάδοσης. Μετά την ολοκλήρωση της μετάδοσης ο μπλοκαρισμένος σταθμός κάνει αποχή για την κατάληψη του καναλιού όπως αυτή προβλέπεται από την backoff διαδικασία.αν όμως ο σταθμός αυτός δεν πρέπει να μπλοκαριστεί (αφού δεν θα εμποδίζει την μετάδοση που γίνεται στην περιοχή όπου αυτός βρίσκεται) και μπορεί να μεταδώσει (εφόσον φυσικά πληρούνται και οι προυποθέσεις όπως το τι γίνεται με τους δικούς του γείτονες, δηλαδή αν μεταδίδει κάποιος εκεί ή όχι κλπ), τότε πετυχαίνουμε να ξεκινήσουμε μια δεύτερη μετάδοση που θα γίνεται παράλληλα με την πρώτη, άρα πετυχαίνουμε καλύτερη αξιοποίηση του εύρους ζώνης. Έτσι, πλέον, αναλόγως της κατανομής των σταθμών στο χώρο, πια θα μπορούμε να έχουμε πολλαπλές περιοχές μετάδοσης και αρά σημαντική βελτίωση στο συνολικό throughput του δικτύου που είναι και το ζητούμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας[7][15]. 59

60 60

61 Κεφάλαιο 3ο Προσομοίωση Οι προσομοιώσεις του MAC πρωτοκόλλου(dcf) και του προτεινόμενου πρωτοκόλλου ελέγχου ισχύος(proposed protocol), έγιναν με την χρήση του προσομοιωτή δικτύων Network Simulator 2 και συγκεκριμένα με την έκδοση NS-2.35 version[21]. Ακόμη, χρησιμοποιήθηκε ο Network Animator(NAM version 1.14) για την απεικόνιση της τοπολογίας του δικτύου, καθώς και το Xgraph(version 12.2) για την γραφική αναπαράσταση των στατιστικών δεδομένων που θα μελετήσουμε. Στην εργασία, υλοποιήθηκαν τρία σενάρια προσομοίωσης(10, 20, 30 κόμβων) και για τα δύο πρωτόκολλα που εξετάσαμε και έπειτα έγινε η σύγκρισή τους όσο αφορά τις μετρικές throughput, offered load και total delay. Τα αποτελέσματα αυτών των συγκρίσεων παρουσιάζονται παρακάτω. 3.1.Ο προσομοιωτής δικτύων Network Simulator 2 Ο Network Simulator 2 ( NS-2), είναι ένας προσομοιωτής οδηγούμενων γεγονότων (eventdriven) που αναπτύχθηκε από το πανεπιστήμιο UK. Berkley. Το εργαλείο αυτό ξεκίνησε αρχικά σαν παραλλαγή του "REAL network simulator" το 1989 και αναπτύχθηκε σταδιακά τα τελευταία χρόνια. Από το 1995 και μετά αποτελεί τμήμα του προγράμματος VINT το οποίο αναπτύσσει εργαλεία για την μελέτη των δικτύων. Ο κώδικας του αποτελεί συνεισφορά από διαφορετικές ερευνητικές ομάδες. Το κύριο πλεονέκτημα του είναι ότι ο κώδικάς του περιέχει μεγάλη συλλογή από πακέτα προσομοίωσης. Ο NS-2 είναι ένα open-source πρόγραμμα[21] το οποίο έχει την δυνατότητα να προσομοιώνει δίκτυα LAN, WAN, ασύρματα, δορυφορικά, κινητών επικοινωνιών, καθώς και πολλά δικτυακά πρωτόκολλα. Ο NS είναι γραμμένος σε C++ και σε OTcl (πρόκειται για μια Tcl scripting γλώσσα προγραμματισμού με αντικειμενοστραφής προεκτάσεις). Χρησιμοποιούμε την γλώσσα προγραμματισμού C++ για προσομοίωση πολύπλοκων /σύνθετων πρωτοκόλλων και επίσης για την εισαγωγή, τροποποίηση, δημιουργία νέου μοντέλου και για οτιδήποτε απαιτεί επεξεργασία ανά πακέτο. Την Tcl την χρησιμοποιούμε για την δημιουργία και αρχικοποίηση του σεναρίου της προσομοίωσης και για να δώσουμε τιμές σε παραμέτρους προσομοίωσης. Ενδείκνυται για να δημιουργήσουμε απλές τοπολογίες. Για συγγραφή του κώδικα σε γλώσσα Tcl χρησιμοποιούμε το notepad ή κάποιον text editor για μεγαλύτερο αριθμό γραμμών. 61

62 3.1.1 TCL Η Tcl ή «tool command language» είναι πολύ απλή γλώσσα προγραμματισμού ανοιχτής πηγής (open-source). Η Tcl παρέχει βασικά γλωσσικά χαρακτηριστικά όπως μεταβλητές, διαδικασίες ελέγχου και τρέχει σχεδόν σε όλα τα σύγχρονά λειτουργικά όπως στο Unix, Macintosh και στα Windows. Αλλά το κλειδί της Tcl είναι η επεκτασιμότητα της. Η Tcl αρχικά αναπτύχθηκε σαν επαναχρησιμοποιήσιμη γλώσσα διαχείρισης εντολών για πειραματικά βοηθητικά σχεδιαστικά εργαλεία Η/Υ. Ο διερμηνέας ήταν υλοποιήσιμος σαν βιβλιοθήκη της γλώσσας προγραμματισμού C και μπορούσε να συνδεθεί μέσα από κάθε εφαρμογή. Είναι πολύ εύκολο να προσθέσουμε νέες λειτουργίες στον Tcl πυρήνα, έτσι ώστε να είναι η ιδανική επαναχρησιμοποιήσιμη γλώσσα που μπορεί να ενοποιηθεί σε οποιοδήποτε εφαρμογή. Τα Tcl προγράμματα συνήθως αποκαλούνται σενάρια, scripts, γιατί το πρόγραμμα δεν χρειάζεται να ολοκληρωθεί σε γλώσσα μηχανής. Η Tcl έχει πληθώρα επεκτάσεων, ώστε να μπορούμε να γράψουμε οποιοδήποτε είδος προγράμματος σαν Tcl script. Υπάρχουν προεκτάσεις για HTTP εφαρμογές, για γραφική καταγραφή σχεδίου και πρόσβαση σε βάσεις δεδομένων. Αφού έχουμε δημιουργήσει ένα tcl script,η εκκίνηση του NS γίνεται με την εντολή ns <tclscript>. Ο NS χρησιμοποιεί λοιπόν δύο γλώσσες προγραμματισμού ( C++ και Otcl ) γιατί η C++ είναι γρήγορη στην εκτέλεση αλλά αργή στις αλλαγές, πράγμα που την καθιστά ιδανική για την λεπτομερή ανάλυση των πρωτοκόλλων. Από την άλλη η OTcl εκτελείται πιο αργά αλλά μπορεί να προσαρμόζεται πολύ γρήγορα κάνοντάς την ιδανική για την διαμόρφωση της προσομοίωσης Βασικά Εργαλεία του NS Κλάσεις Από τις κλάσεις που ορίζονται στον κατάλογο ~tclcl/ του ns, οι συχνότερα χρησιμοποιούμενες στο πρόγραμμα του ns για πολλαπλές λειτουργίες είναι οι εξής : Class Tcl Class TclObject Class TclClass Class TclCommand Class EmbeddedTcl Class InstVar 62

63 Κόμβοι Οι κόμβοι στον ns είναι σύνθετα αντικείμενα που αποτελούνται από την είσοδο του κόμβου και από έναν αριθμό ταξινομητών, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχημα(σχημα 21). Οι κόμβοι είναι δύο ειδών : μονοχρηστικοί (unicast) και πολυχρηστικοί (multicast). Ο unicast κόμβος περιέχει έναν ταξινομητή διευθύνσεων, που δρομολογεί τα πακέτα σ ένα κόμβο κάθε φορά, και έναν ταξινομητή πυλών. Ο multicast κόμβος περιέχει έναν ταξινομητή πακέτων που απευθύνονται σε μια ομάδα κόμβων, και έναν ταξινομητή για τις αντίστοιχες δρομολογήσεις. Σχημα 21: Οι κόμβοι στον NS Πακέτα Τα πακέτα στον NS αποτελούνται από μια στοίβα κεφαλίδων και από ένα τμήμα προαιρετικών δεδομένων. Η μορφή αυτών των κεφαλίδων των πακέτων αρχικοποιείται με την δημιουργία ενός αντικειμένου προσομοίωσης, όπου ορίζεται μια στοίβα με όλες τις καταγεγραμμένες κεφαλίδες, όπως η common header,η οποία χρησιμοποιείται από όλα τα αντικείμενα του δικτύου, η IP, η TCP, η RTP και η κεφαλίδα trace. Επίσης καταγράφεται και το αποτύπωμα της κάθε κεφαλίδας. Αυτό σημαίνει ότι είτε χρησιμοποιείται είτε όχι μια κεφαλίδα η στοίβα αποτελείται από όλες τις κεφαλίδες που δημιουργούνται όταν ένα πακέτο διανέμεται από κάποιο πρωτόκολλο. Ένα αντικείμενο του δικτύου μπορεί να προσπελάσει όποια κεφαλίδα επεξεργάζεται χρησιμοποιώντας την τιμή του αποτυπώματος που αντιστοιχίζεται στην συγκεκριμένη κεφαλίδα. 63

64 3.1.3 Βασική Αρχιτεκτονική NS Σχημα 22: Βασική Αρχιτεκτονική NS Στο παραπάνω σχημα(σχημα 22) παρουσιάζεται η λειτουργία του προσομοιωτή όπως την αντιλαμβάνεται ο χρήστης. Για την υλοποίηση και την εκτέλεση μιας προσομοίωσης δικτύου ο χρήστης δημιουργεί ένα Otcl αρχείο, στο οποίο καθορίζει τον διαχειριστή συμβάντων, σχεδιάζει την τοπολογία και αρχικοποιεί τις μεταβλητές της προσομοίωσης. Ορίζει τα πρωτόκολλα που θα χρησιμοποιηθούν, την μορφή και τον τύπο των πακέτων και άλλες παραμέτρους. Μετά την εκτέλεση της προσομοίωσης εξάγονται τα αποτελέσματα σε ειδικά αρχεία από τα οποία μετά την ανάλυση θα προκύψουν τα απαιτούμενα συμπεράσματα, τα διαγράμματα αλλά και η οπτική αναπαράσταση της προσομοίωσης. Δηλαδή τα δεδομένα αυτά στα ειδικά αρχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε για ανάλυση και διεξαγωγή κάποιων συμπερασμάτων στο xgraph (για γραφική παράσταση), είτε σαν είσοδο για το NAM (Network Animator), το οποίο αποτελεί μια γραφική διεπαφή με τον χρήστη και μπορεί να παρουσιάσει εικονικά την τοπολογία που δημιουργήσαμε καθώς και διάφορες πληροφορίες, όπως τον αριθμό των πακέτων που χάνονται από μια γραμμή ή την μεταφορά των πακέτων από τον ένα κόμβο στον άλλο, με γραφικό τρόπο. 64