ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΤΟΠΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΤΟΠΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ Διδακτορική Διατριβή του Θωμά Δ. Λάγκα Επιβλέπων Καθηγητής: Ανδρέας Πομπόρτσης ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ Οκτώβριος, 2006

ii ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΤΟΠΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ Διδακτορική Διατριβή του Θωμά Δ. Λάγκα Υποβλήθηκε στο Τμήμα Πληροφορικής, Σχολή Θετικών Επιστημών Εξεταστική Επιτροπή Καθηγητής Α. Πομπόρτσης, Επιβλέπων Αναπ. Καθηγήτρια Ε. Καρατζά, Μέλος Συμβουλευτικής Επιτροπής Επικ. Καθηγητής Γ. Παπαδημητρίου, Μέλος Συμβουλευτικής Επιτροπής Καθηγητής Γ. Στασινόπουλος, Εξεταστής Καθηγητής Μ. Χάταλης, Εξεταστής Αναπ. Καθηγητής Α. Οικονομίδης, Εξεταστής Λέκτορας Α. Μήλιου, Εξετάστρια

iii Θωμάς Δ. Λάγκας Α.Π.Θ. Τίτλος Διδακτορικής Διατριβής: Πρωτόκολλα υποστήριξης ποιότητας υπηρεσίας για ασύρματα τοπικά δίκτυα «Η έγκριση της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής από το Τμήμα Πληροφορικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως.» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

iv Πρόλογος Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Αρχιτεκτονικής και Δικτύων Υπολογιστών του Τμήματος Πληροφορικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Οδήγησε στις παρακάτω εργασίες: Α. Εργασίες σε επιστημονικά περιοδικά με σύστημα κριτών 1. G. I. Papadimitriou, T. D. Lagkas, and A. S. Pomportsis, HIPERSIM: A Sense Range Distinctive Simulation Environment for HiperLAN Systems, Simulation, Transactions of The Society for Modelling and Simulation International, Sage, Volume 79, Number 8, pp. 462-481, August 2003. 2. T. D. Lagkas, G. I. Papadimitriou, and A. S. Pomportsis, QAP: A QoS supportive Adaptive Polling Protocol for Wireless LANs, Computer Communications, Elsevier, Volume 29, Issue 5, pp. 618-633, March 2006. 3. T. D. Lagkas, G. I. Papadimitriou, A. S. Pomportsis, and M. S. Obaidat, SQAP: A Simple QoS supportive Adaptive Polling Protocol for Wireless LANs, Computer Communications, Elsevier, Volume 29, Issue 8, pp. 934-937, May 2006. 4. T. D. Lagkas, G. I. Papadimitriou, P. Nicopolitidis, and A. S. Pomportsis, A New Approach to the Design of MAC protocols for Wireless LANs: Combining QoS Guarantee with Power Saving, IEEE Communications Letters, Volume 10, Issue 7, pp. 537-539, July 2006. 5. T. D. Lagkas, G. I. Papadimitriou, P. Nicopolitidis, and A. S. Pomportsis, Priority Oriented Adaptive Control with QoS Guarantee for wireless LANs, IEEE Transactions on Vehicular Technology, (accepted), 2006. Β. Εργασίες σε επιστημονικά συνέδρια με σύστημα κριτών 1. G. I. Papadimitriou, T. D. Lagkas, and A. S. Pomportsis, HIPERSIM: A Sense Range Distinctive Simulation Environment for HiperLAN Networks, Proceedings of SPECTS 03, pp. 131-139, Montreal, Canada, July 2003.

v 2. G. I. Papadimitriou, T. D. Lagkas, M. S. Obaidat, and A. S. Pomportsis, A New Approach to the Simulation of HIPERLAN Wireless Networks, Proceedings of ESS 03, pp. 459-468, Delft, the Netherlands, October 2003. 3. T. D. Lagkas, G. I. Papadimitriou, and A. S. Pomportsis, A High Performance QoS Supportive Protocol for Wireless LANs, Proceedings of IEEE MELECON 2004, pp. 571-574, Dubrovnik, Croatia, May 2004. 4. T. D. Lagkas, G. I. Papadimitriou, P. Nicopolitidis, and A. S. Pomportsis, POAC-QG: Priority Oriented Adaptive Control with QoS Guarantee for wireless LANs, Proceedings of IEEE EUROCON 05, pp. 1858-1861, Belgrade, Serbia & Montenegro, November 2005. 5. T. D. Lagkas, G. I. Papadimitriou, P. Nicopolitidis, and A. S. Pomportsis, Low Energy Priority Oriented Adaptive Control with QoS Guarantee for Wireless Networks, Proceedings of IEEE/CVT 05, Enschede, the Netherlands, November 2005. 6. T. D. Lagkas, G. I. Papadimitriou, P. Nicopolitidis, and A. S. Pomportsis, Priority Oriented Adaptive Polling for wireless LANs, Proceedings of IEEE ISCC 06, pp. 719-724, Sardinia, Italy, June 2006. 7. T. D. Lagkas, G. I. Papadimitriou, P. Nicopolitidis, and A. S. Pomportsis, Low Energy Priority Oriented Adaptive Polling for Wireless Networks, Proceedings of IEEE CSNDSP 06, pp. 139-143, Patra, Greece, July 2006. Επιβλέπων της Διδακτορικής Διατριβής ήταν ο Καθηγητής Ανδρέας Πομπόρτσης τον οποίο και θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά για την ευκαιρία που μου έδωσε για την εκπόνησή της. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της Συμβουλευτικής Επιτροπής Αναπ. Καθηγήτρια Ελένη Καρατζά και Επικ. Καθηγητή Γεώργιο Παπαδημητρίου, ο οποίος με καθοδήγησε καθοριστικά σε όλη τη διάρκεια της εργασίας μου. Ακόμη, ευχαριστώ τον Λέκτορα Πέτρο Νικοπολιτίδη για τη σημαντική του υποστήριξη σε αυτήν την προσπάθειά μου. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμότατα την οικογένειά μου, που με στήριξε με τον καλύτερο δυνατό τρόπο και στάθηκε πάντα δίπλα μου όλα αυτά τα χρόνια των σπουδών μου.

vi Θωμάς Δ. Λάγκας Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2006

vii Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 1.1. ΠΡΟΛΟΓΟΣ 1 1.2. ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 5 1.3. ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΤΟΠΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΓΙΑ ΠΡΟΣΒΑΣΗ ΣΤΟ ΜΕΣΟ 7 1.4. ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΙΕΕΕ 802.11 10 1.4.1. Γενική επισκόπηση 10 1.4.2. Το πρότυπο IEEE 802.11e 15 1.5. ΣΧΗΜΑΤΑ 20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 22 ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ HIPERLAN 1 22 2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 22 2.2. ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ HIPERLAN 24 2.2.1. Ο μηχανισμός προτεραιότητας πρόσβασης στο κανάλι 24 2.2.2. Πειθαρχία ουράς: Earliest Deadline First 25 2.2.3. Το πρωτόκολλο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο EY-NPMA 25 2.2.4. Ζητήματα εμβέλειας 29 2.3. Ο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗΣ HIPERSIM 32 2.3.1. Περιγραφή περιβάλλοντος 32 2.3.2. Δομή κώδικα 37 2.3.3. Ακολουθία λειτουργίας 40 2.4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΤΟΥ HIPERLAN 42 2.5. ΣΥΝΟΨΗ 45 2.6. ΣΧΗΜΑΤΑ 46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 58 ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ QAP 58 3.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 58 3.2. ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ 59

viii 3.2.1. Τα πρωτόκολλα RAP και GRAP 60 3.2.2. Το πρωτόκολλο LEAP 62 3.3. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ QAP 63 3.3.1. Μοντέλο βολιδοσκόπησης 63 3.3.2. Μοντέλο προτεραιοτήτων 66 3.3.3. Μηχανισμός επιλογής σταθμού Αναλυτική προσέγγιση 68 3.4. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ 71 3.4.1. Περιβάλλον προσομοίωσης 71 3.4.2. Αποτελέσματα προσομοίωσης 75 3.5. SQAP: Η ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΕΚΔΟΣΗ ΤΟΥ QAP 79 3.5.1. Περιγραφή του SQAP 79 3.5.2. Μελέτη της απόδοσης του SQAP 80 3.6. ΣΥΝΟΨΗ 81 3.7. ΣΧΗΜΑΤΑ 82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 93 ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ POAP 93 4.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 93 4.2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ POAP 95 4.2.1. Μοντέλο βολιδοσκόπησης 96 4.2.2. Μοντέλο προτεραιοτήτων 99 4.2.3. Μηχανισμός επιλογής σταθμού 102 4.3. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ 103 4.3.1. Περιβάλλον προσομοίωσης 103 4.3.2. Σενάριο προσομοίωσης 105 4.3.3. Αποτελέσματα προσομοίωσης 106 4.4. LEPOAP: Η ΕΚΔΟΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΟΥ POAP 112 4.4.1. Εισαγωγή στην εξοικονόμηση ενέργειας 112 4.4.2. Περιγραφή του LEPOAP 113 4.4.3. Μελέτη της απόδοσης του LEPOAP 113 4.5. ΣΥΝΟΨΗ 114 4.6. ΣΧΗΜΑΤΑ 116 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 124

ix ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ POAC-QG 124 5.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 124 5.2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ POAC-QG 126 5.2.1. Γενική επισκόπηση 126 5.2.2. Έλεγχος εισαγωγής 128 5.2.3. Έλεγχος προσαρμοσμένος στις απαιτήσεις 130 5.3. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ 133 5.3.1. Περιβάλλον προσομοίωσης 133 5.3.2. Πρώτο σενάριο προσομοίωσης 135 5.3.3. Δεύτερο σενάριο προσομοίωσης 137 5.4. LEPOAC-QG: Η ΕΚΔΟΣΗ ΧΑΜΗΛΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΟΥ POAC-QG 140 5.4.1. Περιγραφή του LEPOAC-QG 140 5.4.2. Μελέτη της απόδοσης του LEPOAC-QG 141 5.5. ΣΥΝΟΨΗ 142 5.6. ΣΧΗΜΑΤΑ 144 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 153 ΣΥΝΟΨΗ 153 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 157

1 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1. Πρόλογος Μέσα σε μερικά μόλις χρόνια, τα ασύρματα τοπικά δίκτυα κατάφεραν να κατακτήσουν ένα σημαντικό τμήμα της αγοράς των τοπικών δικτύων υπολογιστών. Οι χρήστες ανακαλύπτουν όλο και περισσότερο ότι τα ασύρματα τοπικά δίκτυα αποτελούν σημαντικότατο συμπλήρωμα των τοπικών δικτύων υπολογιστών, προκειμένου να ικανοποιήσουν κατ αρχήν τις διάφορες απαιτήσεις για κινητότητα (mobility). Όπως μαρτυράει και το όνομα, τα ασύρματα δίκτυα είναι αυτά που κάνουν χρήση κάποιου ασύρματου μέσου μετάδοσης. Μέχρι προσφάτως, τα ασύρματα τοπικά δίκτυα υπολογιστών χρησιμοποιούνταν ελάχιστα. Στις αιτίες συμπεριλαμβάνονταν το υψηλό κόστος, οι χαμηλοί ρυθμοί μετάδοσης, τα διάφορα ζητήματα ασφαλείας καθώς και οι απαιτήσεις για απόκτηση άδειας. Καθώς τα προβλήματα αυτά αντιμετωπίζονται, η δημοτικότητα των ασύρματων τοπικών δικτύων αυξάνει ραγδαία. Η πρώτη από τις βασικές εφαρμογές των ασύρματων τοπικών δικτύων που οδήγησαν αρχικά στην υιοθέτησή τους [1] είναι η επέκταση των ενσύρματων τοπικών δικτύων. Τα πρώτα σχετικά ασύρματα προϊόντα που εμφανίστηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 1980 αποτελούσαν υποκατάστατα των ενσύρματων τοπικών δικτύων. Προσέφεραν ευκολία εγκατάστασης και χαμηλό κόστος, αφού δεν απαιτείται καλωδίωση. Βέβαια, πλέον υπάρχουν πολλά κτήρια που φέρουν καλω-

2 δίωση UTP κατηγορίας 5 για τη δημιουργία τοπικού δικτύου τύπου Ethernet. Αλλά ακόμα και με το απλό τηλεφωνικό καλώδιο UTP κατηγορίας 3 ή και μέσω της υπάρχουσας καλωδίωσης για την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος είναι εφικτός ο σχηματισμός τοπικού δικτύου υπολογιστών. Ωστόσο, υπάρχουν διάφορες εγκαταστάσεις, όπως εργοστάσια, χώροι εργασίας κ.ά., όπου ενδείκνυται η επέκταση του ενσύρματου δικτύου με τη χρήση ασύρματων προϊόντων λόγω ειδικών συνθηκών που δεν επιτρέπουν την υιοθέτηση εκτεταμένης καλωδίωσης. Ως δεύτερη βασική εφαρμογή των ασύρματων τοπικών δικτύων αναφέρεται η διασύνδεση μεταξύ διαφορετικών κτηρίων, όπου σε μια τέτοια περίπτωση ως μοναδική λύση προβάλει η ασύρματη σύνδεση. Επίσης, βασική εφαρμογή αποτελεί η νομαδική πρόσβαση, δηλαδή η σύνδεση μιας φορητής συσκευής σε κάποιο σημείο πρόσβασης ενός ενσύρματου δικτύου και η μεταπήδηση μεταξύ διαφορετικών σημείων πρόσβασης. Τέλος, σημαντική είναι η δυνατότητα σχηματισμού αδόμητων (ad hoc) δικτύων μεταξύ κινητών υπολογιστικών συσκευών χωρίς την ανάγκη κάποιας υποδομής. Ένα ασύρματο τοπικό δίκτυο θα πρέπει να πληρεί τις ίδιες τυπικές απαιτήσεις με οποιοδήποτε ενσύρματο τοπικό δίκτυο, όπως υψηλή χωρητικότητα, δυνατότητα κάλυψης μικρών αποστάσεων, πλήρη συνδεσιμότητα μεταξύ των προσαρτημένων σταθμών και δυνατότητα ευρείας εκπομπής (broadcast). Επιπλέον, υπάρχουν ειδικές απαιτήσεις που σχετίζονται άμεσα με το ασύρματο περιβάλλον [2]: Ρυθμαπόδοση (throughput): Το πρωτόκολλο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο θα πρέπει να χρησιμοποιεί όσο αποδοτικότερα γίνεται το περιορισμένο εύρος ζώνης του ασύρματου μέσου, ώστε να μεγιστοποιείται η χωρητικότητα. Αριθμός σταθμών: Τα ασύρματα δίκτυα μπορεί να απαιτείται να υποστηρίζουν μεγάλο πλήθος σταθμών σε πολλαπλές κυψέλες. Σύνδεση στο τοπικό δίκτυο κορμού (backbone): Στις περισσότερες περιπτώσεις απαιτείται διασύνδεση των σταθμών στο ενσύρματο δίκτυο κορμού. Για τα ασύρματα δίκτυα υποδομής (infrastructure) αυτό υλοποιείται εύκολα μέσο της χρήσης συσκευών διασύνδεσης των δύο διαφορετικού τύπου δικτύων. Περιοχή εξυπηρέτησης: Μια συνήθης περιοχή κάλυψης για ένα ασύρματο τοπικό δίκτυο έχει διάμετρο από 100 έως 300 μέτρα.

3 Κατανάλωση ισχύος μπαταρίας: Οι κινητοί σταθμοί εργασίας λειτουργούν με τη χρήση μπαταριών, οι οποίες πρέπει να έχουν μακρά διάρκεια ζωής. Αυτό σημαίνει ότι προτιμάται η χρήση ενός πρωτοκόλλου Ελέγχου Πρόσβασης στο Μέσο (Medium Access Control, MAC) που με την υποστήριξη κάποιου Σημείου Πρόσβασης (Access Point, AP) δίνει τη δυνατότητα στους κινητούς σταθμούς να εξοικονομούν ενέργεια. Εύρωστη και ασφαλής μετάδοση: Αν δε σχεδιαστεί σωστά, ένα ασύρματο δίκτυο είναι επιρρεπές σε παρεμβολές και υποκλοπές. Ο σχεδιασμός του δικτύου πρέπει να εξασφαλίζει αξιόπιστη μετάδοση ακόμα και σε θορυβώδη περιβάλλοντα καθώς και κάποιο επίπεδο ασφαλείας. Λειτουργία δικτύων στην ίδια περιοχή: Καθώς τα ασύρματα τοπικά δίκτυα γίνονται όλο και περισσότερο δημοφιλή είναι πιθανό να συνυπάρχουν στην ίδια περιοχή δύο διαφορετικά τέτοια δίκτυα. Είναι απαραίτητο να μην επηρεάζει το ένα τη λειτουργία του άλλου, αλλά και να μην επιτρέπεται η μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση χρηστών μεταξύ των διαφορετικών δικτύων. Λειτουργία ελεύθερης αδείας: Προφανώς οι χρήστες προτιμούν να αγοράζουν και να χρησιμοποιούν ασύρματα προϊόντα χωρίς την ανάγκη εξασφάλισης άδειας για τη χρησιμοποιούμενη ζώνη συχνοτήτων. Μεταπομπή/περιαγωγή (handoff/roaming): Το πρωτόκολλο MAC που χρησιμοποιείται θα πρέπει να επιτρέπει στους κινητούς σταθμούς τη μετακίνηση από τη μία κυψέλη στην άλλη. Δυναμική διαμόρφωση (configuration): Η διευθυνσιοδότηση και η διαχείριση του δικτύου θα πρέπει να επιτρέπουν την αυτόματη προσθήκη και διαγραφή σταθμών χωρίς διατάραξη των υπόλοιπων χρηστών. Η ραγδαία εξάπλωση των διαφόρων τύπων ασύρματων δικτύων παγκοσμίως καθιστά πολύ σημαντική και με μεγάλες προοπτικές τη δυνατότητα απρόσκοπτης μεταπομπής (seamless handoff) μεταξύ διαφορετικών δικτύων. Συγκεκριμένα, τα τελευταία χρόνια παρατηρείται ταχύτατη ανάπτυξη των κυψελοειδών δικτύων κινητής τηλεφωνίας με τα δίκτυα 2 ης γενιάς (2G) να κυριαρχούν και τα δίκτυα 3 ης γενιάς να εδραιώνονται σταδιακά. Καθώς τα νεότερα δίκτυα προσφέρουν υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης αλλά και μικρότερη κάλυψη και επιπλέον εμφανίζονται όλο και πιο συχνά σημεία ασύρματης πρόσβασης (hotspots) τα οποία σχημα-

4 τίζουν ασύρματα τοπικά δίκτυα με ακόμα υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης αλλά και ακόμα πιο περιορισμένη κάλυψη, είναι επιθυμητή η δυνατότητα μεταπομπής μεταξύ των διαφορετικών αυτών δικτύων χωρίς να ενοχλείται ο χρήστης. Ας θεωρήσουμε για παράδειγμα ένα χρήστη κινητής συσκευής με δυνατότητα διασύνδεσης σε όλα τα παραπάνω δίκτυα (π.χ. υπολογιστής χειρός). Έστω ότι χρησιμοποιεί μια εφαρμογή τηλεδιάσκεψης υπό την κάλυψη ενός ασύρματου σημείου πρόσβασης (π.χ. σε ένα αεροδρόμιο). Στη συνέχεια, εξερχόμενος από την εμβέλεια του ασύρματου τοπικού δικτύου καλύπτεται από το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας 3 ης γενιάς (π.χ. WCDMA). Τότε, η επικοινωνία δε διακόπτεται, αλλά αυτόματα η ποιότητα της εικόνας ελαττώνεται (π.χ. χρήση κωδικοποιητή υψηλής συμπίεσης), ώστε να συνεχιστεί κανονικά η τηλεδιάσκεψη. Στη συνέχεια, υποθέτουμε ότι μετακινείται σε περιοχή όπου το δίκτυο 3 ης γενιάς δεν μπορεί να παράσχει εξυπηρέτηση, οπότε μεταβαίνει στην κάλυψη του ευρύτερου δικτύου κινητής τηλεφωνίας 2 ης γενιάς (π.χ. GSM, GPRS [2,5G]). Προκειμένου τώρα να διατηρηθεί η επικοινωνία σε περιβάλλον χαμηλού ρυθμού μετάδοσης, πιθανόν να χρειαστεί να διακοπεί εντελώς η μετάδοση εικόνας και να συνεχιστεί αποκλειστικά η μετάδοση φωνής. Παρατηρούμε, λοιπόν, ότι η εξάπλωση των διαφόρων τύπων ασύρματων δικτύων παρέχει μεγάλες δυνατότητες, τις οποίες μπορούμε να εκμεταλλευτούμε αποτελεσματικά μέσω της απρόσκοπτης μεταπομπής, αλλά και προσαρμόζοντας το επίπεδο της Ποιότητας Υπηρεσίας (Quality of Service, QoS). Παράλληλα, πρέπει να σημειωθεί ότι καθώς εξελίσσονται οι δικτυακές εφαρμογές, οι απαιτήσεις από τους διάφορους τύπους δικτύων, μεταξύ αυτών και από τα ασύρματα δίκτυα, αυξάνονται. Συγκεκριμένα, πριν μερικά χρόνια η συνήθης λειτουργικότητα των δικτύων υπολογιστών ήταν η απλή μεταφορά δεδομένων (π.χ. μετάδοση αρχείων). Σε αυτού του είδους την επικοινωνία απαιτείται αξιοπιστία στην παράδοση των δεδομένων, αλλά υπάρχει ανοχή στις καθυστερήσεις που προκαλούνται από τη διαδικασία της μετάδοσης. Στην εποχή μας, όλο και συχνότερα χρησιμοποιούνται τα δίκτυα υπολογιστών για τη μεταφορά εικόνας και ήχου, για την εξυπηρέτηση πολυμεσικών δικτυακών εφαρμογών που είναι από τη φύση τους ευαίσθητες στις καθυστερήσεις μετάδοσης (π.χ. voice over IP, audio streaming, videoconference, video streaming). Καλούνται, λοιπόν, τα σύγ-

5 χρονα ασύρματα δίκτυα να παρέχουν ποιότητα υπηρεσίας στις εφαρμογές αυτές, ενώ παράλληλα υποστηρίζουν παραδοσιακή μετάδοση δεδομένων. 1.2. Κατηγοριοποίηση κυκλοφορίας δεδομένων Η κυκλοφορία των δεδομένων (data traffic) μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σύμφωνα με τις απαιτήσεις μετάδοσης [3]. Έχουν προταθεί διάφοροι τρόποι κατηγοριοποίησης της κυκλοφορίας δεδομένων. Πρώτα απ όλα, μπορούμε να διακρίνουμε μεταξύ κυκλοφορίας μη-πραγματικού χρόνου (όπως τα δεδομένα παρασκηνίου) και πραγματικού χρόνου (όπως η φωνή και το βίντεο). Για την κυκλοφορία δεδομένων παρασκηνίου, ο χρόνος μετάδοσης δεν είναι κρίσιμος. Δεν α- παιτεί χαμηλή καθυστέρηση (delay) ή μικρή παραμόρφωση χρονισμού (jitter), αλλά είναι απαραίτητη η αξιόπιστη παράδοση των δεδομένων. Συνήθως, θεωρείται ως κυκλοφορία χαμηλής προτεραιότητας και γίνεται χρήση ενός μηχανισμού επιβεβαιώσεων (acknowledgements), ώστε να εξασφαλιστεί αξιοπιστία. Από την άλλη μεριά, η κυκλοφορία πραγματικού χρόνου αφορά κατά κύριο λόγο την ψηφιακή μεταφορά φωνής και βίντεο, ενώ περιορίζεται από το χρόνο μετάδοσης. Απαιτείται χαμηλή καθυστέρηση πακέτου, προκειμένου να διασφαλιστεί η ποιότητα της αναπαραγωγής του ήχου ή του βίντεο. Η παραμόρφωση χρονισμού πρέπει επίσης να διατηρείται χαμηλά, διότι το μέγεθος της περιοχής προσωρινής α- ποθήκευσης πακέτων (packet buffer) είναι περιορισμένο και η διάρκεια ζωής των πακέτων είναι μικρή. Για αυτούς τους λόγους, η υψηλή παραμόρφωση χρονισμού προκαλεί υψηλό ρυθμό απόρριψης πακέτων. Οι ζωντανές μεταδόσεις φωνής και βίντεο έχουν ακόμα μεγαλύτερες απαιτήσεις, διότι περιλαμβάνουν επιπρόσθετη καθυστέρηση που προκαλείται από την κωδικοποίηση πραγματικού χρόνου στην προέλευση. Ωστόσο, θεωρείται ανεκτό να υπάρχει κάποια απώλεια πακέτων ή μερικά σφάλματα δυαδικών ψηφίων (bit errors), καθώς δεν απαιτείται υψηλή αξιοπιστία. Κατηγοριοποίηση της κυκλοφορίας δεδομένων μπορεί ακόμη να γίνει σύμφωνα με τον τρόπο που παράγονται τα πακέτα [4]. Όταν έχουμε γέννηση πακέτων του ιδίου μεγέθους σε σταθερά χρονικά διαστήματα, τότε η κυκλοφορία χαρακτηρίζεται ως Σταθερού Ρυθμού Bit (Constant Bit Rate, CBR). Πολυάριθμοι ψηφιακοί κωδικοποιητές φωνής και βίντεο έχουν τη δυνατότητα παραγωγής κυκλο-

6 φορίας σταθερού ρυθμού bit. Το πλεονέκτημα αυτού του είδους γέννησης κυκλοφορίας δεδομένων είναι το γεγονός ότι τα χρονικά διαστήματα μετάδοσης μπορούν να προκρατηθούν στην αρχή της επικοινωνίας και να παραμείνουν αμετάβλητα και επαρκή σε ολόκληρη τη διάρκειά της. Επιπλέον, ο χρόνος κωδικοποίησης διατηρείται γενικά σε χαμηλά επίπεδα. Μειονέκτημα αποτελεί ο αυξημένος ρυθμός δεδομένων που συνήθως απαιτείται ώστε να εξασφαλιστεί η επιθυμητή ποιότητα. Κυκλοφορία Μεταβλητού Ρυθμού Bit (Variable Bit Rate, VBR) έχουμε όταν τα γεννηθέντα πακέτα έχουν διαφορετικό μέγεθος ή όταν ο χρόνος εμφάνισης των νέων πακέτων δεν είναι σταθερός. Τέτοιου είδους κυκλοφορία είναι συνηθισμένη τόσο στη μετάδοση δεδομένων παρασκηνίου όσο και σε επικοινωνίες πραγματικού χρόνου. Η κυκλοφορία δεδομένων παρασκηνίου μεταβλητού ρυθμού bit συχνά καλείται nrt-vbr (non-real-time Variable Bit Rate), ενώ ο όρος rt- VBR (real-time Variable Bit Rate) αναφέρεται κυρίως σε κυκλοφορία πραγματικού χρόνου που αφορά στη μετάδοση συμπιεσμένου ήχου και βίντεο. Οι κωδικοποιητές φωνής-ήχου και βίντεο με δυνατότητες παραγωγής δεδομένων μεταβλητού ρυθμού bit, όπως οι MPEG Audio Layer 3 and H.261 αντιστοίχως, δεν απαιτούν ιδιαίτερα υψηλό εύρος ζώνης, αλλά ο χρόνος κωδικοποίησης είναι αρκετά μεγάλος. Επιπλέον, η προκράτηση εύρους ζώνης σύμφωνα με την αναμενόμενη μέση τιμή του ρυθμού κυκλοφορίας για μια επικοινωνία τύπου rt-vbr συνήθως δεν είναι ικανή να παράσχει επαρκή ποιότητα υπηρεσίας, καθώς οι απαιτήσεις της μετάδοσης μεταβάλλονται δυναμικά. Δεδομένου ότι το εύρος ζώνης είναι περιορισμένο, ειδικά στα ασύρματα δίκτυα, καθίσταται απαραίτητη η χρήση αποδοτικών τεχνικών ψηφιακής κωδικοποίησης μεταβλητού ρυθμού bit. Για το λόγο αυτό, η χρήση προσαρμοστικών μηχανισμών ελέγχου πρόσβασης στο μέσο που μπορούν να υποστηρίζουν κυκλοφορία τόσο σταθερού όσο και μεταβλητού ρυθμού bit προβάλλει επιτακτική στις μέρες μας. Στο Πίνακα 1.1 παρέχεται μια περίληψη της κατηγοριοποίησης της κυκλοφορίας δεδομένων.

7 ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1. ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Είδος Κυκλοφορίας Παραδείγματα Χαρακτηριστικά CBR (Σταθερός Ρυθμός Bit) nrt-vbr (Μεταβλητός Ρυθμός Bit μη-πραγματικού χρόνου) rt-vbr (Μεταβλητός Ρυθμός Bit πραγματικού χρόνου) Μετάδοση πραγματικού χρόνου φωνής-βίντεο Μετάδοση δεδομένων παρασκηνίου Μετάδοση πραγματικού χρόνου ήχου-βίντεο Αποδοτική προκράτηση εύρους ζώνης Ταχεία ψηφιακή κωδικοποίηση Αυξημένη παραγωγή δεδομένων Απαιτείται υψηλή αξιοπιστία Ανεκτική σε καθυστέρησηπαραμόρφωση χρονισμού Μεταβλητές απαιτήσεις εύρους ζώνης Αυξημένη καθυστέρηση κωδικοποίησης Παραγωγή συμπιεσμένων δεδομένων 1.3. Πρωτόκολλα ασύρματων τοπικών δικτύων για πρόσβαση στο μέσο Η υποστήριξη ποιότητας υπηρεσίας στα αδόμητα ασύρματα δίκτυα αποτελεί πρόκληση. Η απουσία κεντρικού ελέγχου είναι ο λόγος για τον οποίο δεν μπορεί να υπάρξει εγγύηση ποιότητας υπηρεσίας σε αυτού του είδους τα δίκτυα. Ωστόσο, η χρήση προτεραιοτήτων στα πακέτα δεδομένων παρέχει μερική υποστήριξη ποιότητας υπηρεσίας, υπάρχουν, λοιπόν, κάποια κατανεμημένα πρωτόκολλα MAC που ευνοούν τα πακέτα υψηλών προτεραιοτήτων. Στα αποκεντρωμένα α- σύρματα τοπικά δίκτυα, το επίπεδο της ποιότητας υπηρεσίας εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του δικτύου, όπως ο φόρτος και ο αριθμός των σταθμών. Συγκεκριμένα, οι μηχανισμοί κατανεμημένης πρόσβασης βασίζονται στον ανταγωνισμό μεταξύ των κινητών σταθμών, οπότε ο υψηλός φόρτος και το αυξημένο πλήθος σταθμών προκαλούν υψηλό ρυθμό συγκρούσεων και χαμηλή χρησιμοποίηση καναλιού [5], [6]. Υπό αυτές τις συνθήκες, η καθυστέρηση των πακέτων και η παραμόρφωση χρονισμού αυξάνονται. Συνεπώς, δεν είναι δυνατό να παρασχεθεί εγγυημένη ποιότητα υπηρεσίας στα αδόμητα ασύρματα τοπικά δίκτυα. Το πρωτόκολλο EY-NPMA (Elimination Yield Non Preemptive Multiple Access) [7]- [10] που χρησιμοποιείται στο δίκτυο HIPERLAN (HIgh PERformance Local Area Network), που έχει προτυποποιηθεί από το ίδρυμα ETSI (European Telecommunications Standards Institute) και το πρωτόκολλο EDCA (Enhanced Dis-

8 tributed Channel Access) που περιλαμβάνεται στο πρότυπο IEEE 802.11e [11] παρέχουν μερική ποιότητα υπηρεσίας για αδόμητα ασύρματα δίκτυα. Τα ασύρματα δίκτυα υποδομής, όπου χρησιμοποιείται κεντρικός έλεγχος, προβάλλουν πιο κατάλληλα για την υποστήριξη ποιότητας υπηρεσίας. Ο έλεγχος πρόσβασης και ο μηχανισμός προγραμματισμού (scheduling) υλοποιούνται στο σημείο πρόσβασης, το οποίο είναι υπεύθυνο για την ανάθεση δικαιωμάτων μετάδοσης στους κινητούς σταθμούς [12]. Μια από τις μεθόδους συγκεντρωτικής πρόσβασης που παρέχουν ποιότητα υπηρεσίας είναι και αυτή που προβλέπει βολιδοσκόπηση (polling) των σταθμών σύμφωνα με την προτεραιότητα των προηγούμενων και των επόμενων πακέτων. Η μέθοδος αυτή δεν περιλαμβάνει προκράτηση εύρους ζώνης. Το σημείο πρόσβασης αναλύει την ανάδραση (feedback) που λαμβάνει από τους σταθμούς κι έτσι αποφασίζει σε ποιον θα επιτραπεί να μεταδώσει, λαμβάνοντας υπόψη τις προτεραιότητες των πακέτων. Τα σχετικά μοντέλα βολιδοσκόπησης συνήθως εξασφαλίζουν χαμηλό ρυθμό συγκρούσεων και υψηλή χρησιμοποίηση καναλιού, καθώς επίσης παρέχουν ποιότητα υπηρεσίας αλλά χωρίς εγγυήσεις. Τα πρωτόκολλα QAP (QoS supportive Adaptive Polling) [13]-[15], POAP (Priority Oriented Adaptive Polling) [16], [17] και GRAP (Group Randomly Addressed Polling) [18] ανήκουν στη συγκεκριμένη κατηγορία. Τα πρωτόκολλα MAC που μπορούν πραγματικά να εγγυηθούν ποιότητα υπηρεσίας σε ένα ασύρματο τοπικό δίκτυο είναι τα συγκεντρωτικά πρωτόκολλα με προκράτηση πόρων. Οι μηχανισμοί πρόσβασης αυτής της κατηγορίας πρωτοκόλλων παρέχουν τη δυνατότητα προκράτησης εύρους ζώνης σε διαφορετικές ροές κυκλοφορίας (traffic streams). Σύμφωνα με το συγκεκριμένο μοντέλο, οι σταθμοί αποστέλλουν αιτήσεις μετάδοσης προς το σημείο πρόσβασης ζητώντας διαστήματα μετάδοσης, συνήθως μέσω της χρήσης κάποιου πλάνου που βασίζεται σε α- νταγωνισμό (contention based). Ο αλγόριθμος προγραμματισμού που υλοποιείται στο σημείο πρόσβασης αποφασίζει την κατανομή του εύρους ζώνης στην περίοδο άνευ-ανταγωνισμού (contention free) ανάλογα με τις αιτήσεις των σταθμών, τις προτεραιότητες, τους διαθέσιμους πόρους κτλ. Αυτού του είδους η μέθοδος πρόσβασης στο κανάλι εγγυάται ποιότητα υπηρεσίας εξασφαλίζοντας ότι η καθυστέρηση πακέτου μιας ροής κυκλοφορίας δε θα ξεπεράσει ένα προσυμφωνημένο μέ-

9 γιστο όριο, ωστόσο η τιμής της πραγματικής καθυστέρησης και της χρονικής παραμόρφωσης ποικίλει και εξαρτάται από το συγκεκριμένο πρωτόκολλο MAC. Στα συνήθη μειονεκτήματα αυτού του μοντέλου περιλαμβάνονται η σπατάλη εύρους ζώνης στην περίοδο ανταγωνισμού, λόγω της υψηλής πιθανότητας συγκρούσεων, και η αδυναμία αποδοτικής υποστήριξης όλων των τύπων κυκλοφορίας πραγματικού χρόνου. Συγκεκριμένα, αν οι εκχωρημένες περίοδοι μετάδοσης παραμένουν σταθερές σε όλη τη διάρκεια της επικοινωνίας, τότε δεν είναι δυνατό να υποστηριχθεί κυκλοφορία μεταβλητού ρυθμού bit με αποδοτικό τρόπο. Αντιπροσωπευτικά πρωτόκολλα MAC προκράτησης πόρων για ασύρματα τοπικά δίκτυα είναι τα παρακάτω: DQRUMA (Distributed-Queuing Request Update Multiple Access) [19], MASCARA (Mobile Access Scheme based on Contention and Reservation for ATM) [20], DSA++ (Dynamic Slot Assignment) [21], DTDMA (Dynamic Time Division Multiple Access) [22], PRMA (Packet Reservation Multiple Access) [23] [25], HCCA (Hybrid Control Channel Access) [11] και POAC- QG (Priority Oriented Adaptive Control with QoS Guarantee) [26]-[29]. Παραλλαγές των παραπάνω πρωτοκόλλων έχουν επίσης προταθεί στη βιβλιογραφία. Εστιάζουν κυρίως στην κυκλοφορία πραγματικού χρόνου και στη χρήση ενός μοντέλου ανταγωνισμού, όπως το Slotted ALOHA, για τη μετάδοση των αιτήσεων και των δεδομένων μη-πραγματικού χρόνου. Η κατηγοριοποίηση των πρωτοκόλλων MAC που υποστηρίζουν ποιότητα υπηρεσίας παρουσιάζεται στον Πίνακα 1.2. ΠΙΝΑΚΑΣ 1.2. ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ MAC ΠΟΥ ΥΠΟΣΤΗΡΙΖΟΥΝ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ Τύπος Πρωτοκόλλου Παραδείγματα Χαρακτηριστικά Συγκεντρωτικό Κατανεμημένο Τυχαίας Πρόσβασης Προκράτησης Πόρων EY-NPMA EDCA QAP POAP GRAP DQRUMA MASCARA DSA++ DTDMA PRMA HCCA POAC-QG Δεν απαιτείται υποδομή Χαμηλή απόδοση Ανεπαρκής υποστήριξη ποιότητας υπηρεσίας Υψηλή απόδοση Μη-εγγυημένη υποστήριξη ποιότητας υπηρεσίας Χαμηλές απαιτήσεις ανάδρασης Αυξημένη υποστήριξη εγγυημένης ποιότητας υπηρεσίας Μη-βέλτιστη χρησιμοποίηση καναλιού Υψηλές απαιτήσεις ανάδρασης

10 1.4. Το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.11 1.4.1. Γενική επισκόπηση Στο χώρο των ασύρματων τοπικών δικτύων υπολογιστών έχει κυριαρχήσει την τελευταία δεκαετία το πρότυπο IEEE 802.11. Υποστηρίζει ασύρματα δίκτυα υποδομής όπου υπάρχει κάποιο Σημείο Πρόσβασης (Access Point), καθώς και αδόμητα δίκτυα (ad hoc). Από την άποψη του φυσικού στρώματος, αρχικά το πρότυπο παρείχε ρυθμούς μετάδοσης 1 και 2 Mbps χρησιμοποιώντας ως τεχνικές μετάδοσης την υπέρυθρη εκπομπή, την FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) και την DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) [30]. Το 1999 εμφανίστηκε το πρότυπο 802.11b που δίνει τη δυνατότητα μετάδοσης με ρυθμό έως και 11 Mbps μέσω της διαμόρφωσης HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum) [31]. Ταυτόχρονα παρουσιάστηκε και το πρότυπο 802.11a το οποίο λειτουργεί σε ανώτερη ζώνη συχνοτήτων (5 GHz αντί για 2,4 GHz) και προσφέρει ρυθμούς μετάδοσης έως και 54 Mbps με τη χρήση της τεχνικής διαμόρφωσης OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) [32]. Το έτος 2001 έκανε την εμφάνισή του το πρότυπο 802.11g το οποίο αποτελεί εξέλιξη του 802.11b ε- φαρμόζοντας την τεχνική OFDM στην ίδια ζώνη συχνοτήτων και προσφέρει θεωρητικό μέγιστο ρυθμό μετάδοσης τα 54 Mbps [33]. Σήμερα τα πρότυπα που κυριαρχούν είναι τα 802.11b/g που εμφανίζουν μεγάλη συμβατότητα και λειτουργούν σε ζώνη συχνοτήτων που δεν απαιτεί άδεια.. Αναμένεται ότι το υπό ανάπτυξη πρότυπο 802.11n θα εκτοξεύσει τους ρυθμούς μετάδοσης στα 100 Mbps. Όσον αφορά στο υπόστρωμα MAC του 802.11, αυτό είναι αρκετά διαφορετικό από το αντίστοιχο πρωτόκολλο του Ethernet (CSMA/CD), λόγω της έμφυτης πολυπλοκότητας που παρουσιάζει το ασύρματο περιβάλλον σε σχέση με το ενσύρματο. Για παράδειγμα, δεν μπορεί να θεωρηθεί μια πλήρως συνδεδεμένη τοπολογία μεταξύ των σταθμών ενός ασύρματου δικτύου [34]. Το πρόβλημα αυτό προκαλεί με τη σειρά του τα προβλήματα του «κρυφού» και «εκτεθειμένου» τερματικού (hidden-exposed terminal problems), που απεικονίζονται στο Σχήμα 1.1. Το πρόβλημα του «κρυφού» τερματικού περιγράφει μια κατάσταση όπου ένας σταθμός Α, ο οποίος δε βρίσκεται στην εμβέλεια μετάδοσης ενός άλλου σταθμού Γ, δεν ανιχνεύει φέρον σήμα και ξεκινά να μεταδίδει. Εάν ο Γ ήδη μετέδιδε, τα

11 πακέτα των δύο σταθμών θα συγκρούονταν σε όλους τους άλλους σταθμούς (B) που μπορούν να «ακούσουν» τόσο τον Α όσο και τον Γ. Το αντίθετο αυτού του προβλήματος είναι το σενάριο του «εκτεθειμένου» τερματικού. Στην περίπτωση αυτή, ο Β αναβάλλει τη μετάδοση καθώς ανιχνεύει το σήμα του Α. Ωστόσο, ο στόχος του Β, δηλαδή ο σταθμός Γ, βρίσκεται εκτός της εμβέλειας του Α. Σε αυτήν την περίπτωση, η μετάδοση του Β θα μπορούσε να παραληφθεί επιτυχώς από τον Γ, αλλά αυτό δε συμβαίνει καθώς ο Β αναβάλλει λόγω της μετάδοσης του Α. Το πρότυπο IEEE 802.11 καλύπτει το φυσικό και το MAC επίπεδο του μοντέλου OSI. Καθορίζει ένα μοναδικό υποεπίπεδο MAC για χρήση με όλα τα φυσικά επίπεδα του 802.11. Το πρωτόκολλο MAC που χρησιμοποιείται είναι ένα CSMA/CA πρωτόκολλο που ονομάζεται Κατανεμημένη Θεμελίωση Ασύρματου MAC (Distributed Foundation Wireless MAC, DFWMAC) και είναι παρόμοιο με το αντίστοιχο πρωτόκολλο του προτύπου IEEE 802.3 για ενσύρματα τοπικά δίκτυα Ethernet. Το DFWMAC, που αναφέρεται και ως Συνάρτηση Κατανεμημένου Συντονισμού (Distributed Coordination Function, DCF) προσφέρει μόνο μια υπηρεσία καλύτερης δυνατής προσπάθειας (best-effort service). Ωστόσο, η ομάδα εργασίας 802.11 συμπεριέλαβε προαιρετική υποστήριξη για χρονικά-εξαρτώμενες υπηρεσίες μέσω της χρήσης ενός μηχανισμού που δεν απαιτεί ανταγωνισμό. Αυτή η υπηρεσία είναι γνωστή ως Συνάρτηση Σημειακού Συντονισμού (Point Coordination Function, PCF) και προσφέρεται μόνο στα δίκτυα 802.11 υποδομής. Η ομάδα εργασίας 802.11 έχει καθορίσει την αρχιτεκτονική συστήματος που παρουσιάζεται στο Σχήμα 1.2. Το DCF λειτουργεί πάνω από το φυσικό επίπεδο παρέχοντας υποστήριξη στη συνήθη ασύγχρονη κυκλοφορία. Το PCF είναι «χτισμένο» πάνω από το DCF και χρησιμοποιεί τις υπηρεσίες που προσφέρονται από το τελευταίο για να υποστηρίζει κυκλοφορία που δεν απαιτεί ανταγωνισμό. Το υποεπίπεδο MAC του IEEE 802.11 προσφέρει επίσης μηχανισμούς για πιστοποίηση, εξασφάλιση απορρήτου, κρυπτογράφηση και εξοικονόμηση ενέργειας. Το υποεπίπεδο DCF χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο CSMA/CA με σχισμές (slotted), όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.3. Έτσι, οι μεταδόσεις δεδομένων μπορούν να ξεκινήσουν μόνο στην αρχή κάθε σχισμής. Το πρότυπο IEEE 802.11 χρησιμοποιεί ένα σύνολο καθυστερήσεων, γνωστές ως Διαπλαισιακά Διαστήματα

12 (Interframe Spaces, IFS). Τα μέτρα που λαμβάνονται για πρόσβαση στο κανάλι είναι τα ακόλουθα: Όταν ένας σταθμός έχει ένα πακέτο προς μετάδοση, πρώτα ανιχνεύει το μέσο. Εάν το μέσο φανεί ότι είναι αδρανές (idle) για χρονικό διάστημα ίσο με ένα Διαπλαισιακό Διάστημα, τότε ο σταθμός μπορεί να ξεκινήσει αμέσως τη μετάδοση. Εάν αρχικά ανιχνευθεί μετάδοση στο μέσο (busy), ή το μέσο καταστεί απασχολημένο κατά τη διάρκεια του Διαπλαισιακού Διαστήματος, ο σταθμός α- ναβάλλει τη μετάδοση και συνεχίζει να «ακούει» το μέσο έως ότου τελειώσει η τρέχουσα μετάδοση. Όταν η τρέχουσα μετάδοση τελειώσει, ο σταθμός περιμένει για ένα άλλο Διαπλαισιακό Διάστημα, ενώ ανιχνεύει το μέσο. Αν αυτό εμφανίζεται ακόμα αδρανές, ο σταθμός υπαναχωρεί (backoff) για ένα πλήθος σχισμών χρησιμοποιώντας έναν δυαδικό εκθετικό αλγόριθμο υπαναχώρησης (binary exponential backoff) και «ακούει» πάλι το μέσο. Αν το τελευταίο εξακολουθεί να είναι αδρανές, ο σταθμός μπορεί να ξεκινήσει τη μετάδοση. Όσον αφορά στην προβλεπόμενη μέθοδο επιβεβαίωσης λήψης, όταν ένας σταθμός λαμβάνει ένα πλαίσιο δεδομένων (DATA) που προορίζεται μόνο για τον ίδιο, αποκρίνεται με ένα πλαίσιο επιβεβαίωσης (acknowledgement, ACK) αφού περιμένει μόνο για ένα διάστημα SIFS. Κατά συνέπεια, ένας σταθμός που επιβεβαιώνει ένα ληφθέν πλαίσιο χρειάζεται να περιμένει λιγότερο χρόνο από τους σταθμούς που προσπαθούν να μεταδώσουν πακέτα. Ως αποτέλεσμα, ο σταθμός που προτίθεται να αποστείλει την επιβεβαίωση ευνοείται στην απόκτηση πρόσβασης στο μέσο. Η επιβεβαίωση επιπέδου MAC παρέχει έναν αποδοτικό μηχανισμό ανάκαμψης από σύγκρουση, καθώς δεν εφαρμόζεται ανίχνευση σύγκρουσης στο IEEE 802.11. Όταν δεν παραλαμβάνεται επιβεβαίωση για ένα πλαίσιο που μεταδόθηκε, ο σταθμός-μεταδότης υποθέτει ότι υπήρξε σύγκρουση και διεκδικεί εκ νέου το κανάλι. Παράλληλα, προβλέπεται ένας μηχανισμός RTS/CTS ο οποίος αναβαθμίζει τον αλγόριθμο διπλής χειραψίας του CSMA/CA (DATA-ACK) σε έναν αλγόριθμο τετραπλής χειραψίας (RTS-CTS-DATA-ACK). Ο μηχανισμός RTS/CTS προσπαθεί να καταπολεμήσει το πρόβλημα του κρυφού τερματικού. Όταν ένας σταθ-

13 μός επιθυμεί να μεταδώσει ένα πακέτο, στέλνει ένα μικρό πακέτο «Αίτηση Αποστολής» (Request To Send, RTS) στον προορισμό του πακέτου δεδομένων. Ο τελευταίος, αν είναι έτοιμος να λάβει το πακέτο δεδομένων, αποκρίνεται μετά από ένα διάστημα SIFS με ένα πακέτο «Προχώρησε σε Αποστολή» (Clear To Send, CTS) επιτρέποντας στο σταθμό-μεταδότη να ξεκινήσει μετάδοση δεδομένων μετά από διάστημα ενός SIFS αφού ληφθεί το πλαίσιο CTS. Τα πακέτα RTS και CTS ενημερώνουν τους γείτονες και των δύο επικοινωνούντων σταθμών για το μήκος της επικείμενης μετάδοσης. Οι σταθμοί που «ακούνε» είτε το RTS είτε το CTS πακέτο αποσύρονται έως ότου ολοκληρωθούν οι μεταδώσεις των πακέτων DATA και ACK. Τα πακέτα RTS και CTS είναι πολύ μικρά (20 και 14 bytes, αντίστοιχα) συγκριτικά με το μέγιστο πλαίσιο δεδομένων του 802.11 (2346 bytes). Ως αποτέλεσμα, όταν εμφανίζεται σύγκρουση μεταξύ πακέτων RTS ή CTS, δαπανάται μικρότερο εύρος ζώνης συγκριτικά με τις συγκρούσεις που περιλαμβάνουν μεγαλύτερα πλαίσια δεδομένων. Ωστόσο, η χρήση του συγκεκριμένου μηχανισμού σε συνθήκες ελαφρώς φορτωμένου μέσου ή σε περιβάλλοντα που χαρακτηρίζονται από μικρά πακέτα δεδομένων επιβάλλει πρόσθετη καθυστέρηση λόγω της συνολικής επιβάρυνσης που προκαλεί η λειτουργία RTS/CTS. Το τμήμα του πρωτοκόλλου που αφορά στην αποφυγή συγκρούσεων υλοποιείται μέσω μιας διαδικασίας τυχαίας υπαναχώρησης (random backoff). Όπως ήδη αναφέρθηκε, όταν ένας σταθμός ανιχνεύσει ότι το μέσο είναι απασχολημένο, περιμένει για μία ελεύθερη περίοδο SIFS και έπειτα υπολογίζει μια τιμή για το χρόνο υπαναχώρησης. Η τιμή αυτή αποτελείται από έναν αριθμό σχισμών. Αρχικά, ο σταθμός υπολογίζει έναν χρόνο υπαναχώρησης που κυμαίνεται από 0 έως 7 σχισμές. Όταν το μέσο είναι αδρανές, ο σταθμός μειώνει το μετρητή υπαναχώρησης έως ότου φτάσει στο μηδέν ή το μέσο καταστεί και πάλι απασχολημένο. Στην τελευταία περίπτωση, ο μετρητής υπαναχώρησης παγώνει έως ότου το μέσο ξανά ελευθερωθεί. Όταν οι μετρητές δύο ή περισσοτέρων σταθμών φτάσουν συγχρόνως στο μηδέν, σημειώνεται σύγκρουση. Σε αυτήν την περίπτωση, οι σταθμοί υ- πολογίζουν ένα νέο παράθυρο υπαναχώρησης, η διάρκεια του οποίου δίνεται από τον τύπο [2 2+i ranf()] Χρόνος_σχισμής, όπου το i είναι ο αριθμός των προσπαθειών του σταθμού να στείλει το τρέχον πλαίσιο δεδομένων, ranf() είναι μια ο- μοιόμορφη κατανομή στο διάστημα (0, 1) και [x] είναι ο μεγαλύτερος ακέραιος

14 που είναι μικρότερος ή ίσος με το x. Οι διαδοχικές συγκρούσεις προκαλούν την εκθετική αύξηση του μεγέθους του παραθύρου υπαναχώρησης, επίσης γνωστό και ως Παράθυρο Ανταγωνισμού (Contention Window, CW). Όταν φθάσει σε ένα ορισμένο μέγιστο μέγεθος, το οποίο αποτελεί παράμετρο προκαθορισμένη από το χρήστη γνωστή ως CWMax, το i λαμβάνει πάλι την τιμή 1 και το μέγεθος του παραθύρου υπαναχώρησης αρχικοποιείται ξανά στο 7. Μετά τη σημείωση ενός ορισμένου αριθμού αναμεταδόσεων για ένα συγκεκριμένο πλαίσιο, αυτό απορρίπτεται. Από την άλλη μεριά, το PCF αποτελεί μια προαιρετική μέθοδο προσπέλασης του μέσου που υποστηρίζει ισόχρονη, άνευ ανταγωνισμού κυκλοφορία και «δομείται» πάνω από το DCF. Το PCF υλοποιείται μόνο σε δίκτυα 802.11 υποδομής. Η λειτουργία του βασίζεται στη συγκεντρωτική βολιδοσκόπηση (centralized polling) με τη χρήση ενός Σημειακού Συντονιστή (Point Coordinator, PC), τον οποίο ρόλο στην πραγματικότητα παίζει συνήθως το Σημείο Πρόσβασης μέσα σε μια κυψέλη. Ο Σημειακός Συντονιστής χρησιμοποιεί το διάστημα PIFS που αναφέρθηκε νωρίτερα. Δεδομένου ότι το PIFS είναι μικρότερο από το διάστημα DIFS, ο Σημειακός Συντονιστής μπορεί να θέτει εκτός ανταγωνισμού όλη την ασύγχρονη κυκλοφορία, ενώ εκχωρεί δικαιώματα μετάδοσης (poll) στους σταθμούς οι οποίοι με τη σειρά τους απαντούν. Για να αποφευχθεί η πλήρης κατάληψη του μέσου από το Σημειακό Συντονιστή, το πρότυπο 802.11 καθορίζει ένα διάστημα γνωστό ως υπερπλαίσιο (superframe). Το πρώτο τμήμα του διαστήματος αυτού εξυπηρετεί την κυκλοφορία που δεν προϋποθέτει ανταγωνισμό, ενώ στο δεύτερο τμήμα, ο Σημειακός Συντονιστής παραμένει ανενεργός για να δώσει στους σταθμούς τη δυνατότητα να ανταγωνισθούν για την πρόσβαση στο μέσο χρησιμοποιώντας DCF. Κατά τη διάρκεια κάθε περιόδου PCF, ο Σημειακός Συντονιστής εκχωρεί δικαιώματα μετάδοσης στους σταθμούς που απαιτούν ισόχρονες υπηρεσίες. Οι σταθμοί αυτοί είναι γνωστοί ως σταθμοί ενήμεροι της Περιόδου Άνευ Ανταγωνισμού (Contention Free Period, CFP). Ένας σταθμός που επιλέγει να μην συμμετέχει στην Περίοδο Άνευ Ανταγωνισμού καλείται σταθμός μη-ενήμερος της Περιόδου Άνευ Ανταγωνισμού. Αν στο τέλος του υπερπλαισίου το μέσο είναι απασχολημένο, ο Σημειακός Συντονιστής πρέπει να περιμένει μέχρι να ελευθερωθεί και πάλι για να το καταλάβει. Έτσι, το επόμενο υπερπλαίσιο έχει μειωμένο μέγεθος.

15 1.4.2. Το πρότυπο IEEE 802.11e Όπως είναι φανερό, το πρωτόκολλο MAC του 802.11 δεν υποστηρίζει ποιότητα υπηρεσίας. Ωστόσο, έχουν προταθεί κάποιες παραλλαγές που προσθέτουν μερική υποστήριξη ποιότητας υπηρεσίας [35]. Η ανάγκη για ποιότητα υπηρεσίας στα σύγχρονα ασύρματα τοπικά δίκτυα οδήγησε την IEEE στη δημιουργία της ομάδας εργασίας 802.11e [11]. Ο μηχανισμός πρόσβασης στο κανάλι του 802.11e καλείται HCF (Hybrid Control Function) και περιλαμβάνει ένα μοντέλο ανταγωνισμού (EDCA) και ένα μοντέλο άνευ ανταγωνισμού (HCCA). Το HCCA μπορεί ως ένα βαθμό να εγγυάται ποιότητα υπηρεσίας. Λειτουργεί σε κατάσταση υποδομής (infrastructure mode) και ρόλος του είναι η αποδοτική υποστήριξη επικοινωνίας ήχου και βίντεο πραγματικού χρόνου. Το EDCA προορίζεται για την υποστήριξη κυκλοφορίας με προτεραιότητες, όμοια με το DiffServ, ενώ το HCCA υποστηρίζει παραμετροποιημένη κυκλοφορία, όπως στο IntServ. Η βασική έννοια στο HCF είναι η «ευκαιρία μετάδοσης» (transmission opportunity, TXOP), δηλαδή το χρονικό διάστημα κατά το οποίο ένας σταθμός (που επίσης ονομάζεται «quality enhanced station» στο 802.11e) επιτρέπεται να μεταδώσει. Στο HCCA, το διάστημα TXOP καθορίζεται από το σημείο πρόσβασης ανάλογα με τις απαιτήσεις για ποιότητα υπηρεσίας. Συγκεκριμένα, σύμφωνα με το 802.11e, ο Υβριδικός Συντονιστής (Hybrid Coordinator, HC) είναι υπεύθυνος για τον κεντρικό έλεγχο και είναι ενσωματωμένος στο σημείο πρόσβασης. Ωστόσο, στη συγκεκριμένη εργασία, ποτέ δεν αναφερόμαστε ειδικά στον υβριδικό συντονιστή, αλλά γενικά στο σημείο πρόσβασης. Το υπερπλαίσιο (superframe) του HCF ορίζεται ως διάστημα σηματοδοσίας (beacon interval). Αποτελείται από εναλλασσόμενες περιόδους ανταγωνισμού (CP) και προαιρετικά άνευ-ανταγωνισμού (CFP), όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.4. Το EDCA λειτουργεί μόνο στις περιόδους CP, ενώ το HCCA μπορεί να λειτουργήσει τόσο κατά τις περιόδους CP όσο και CFP. Το HCCA μπορεί να ξεκινήσει από το σημείο πρόσβασης αρκετές φορές μέσα σε μια περίοδο CP και αυτά τα διαστήματα ονομάζονται Περίοδοι Ελεγχόμενης Πρόσβασης (Controlled Access Periods, CAPs). Το πλαίσιο σηματοδοσία (beacon) που μεταδίδεται από το σημείο πρόσβασης στην αρχή κάθε υπερπλαισίου περιέχει πληροφορίες ελέγχου, όπως τη μέγιστη διάρκεια της περιόδου CFP, τη μέγιστη διάρκεια του διαστήμα-

16 τος TXOP κ.ά. Το τέλος της περιόδου CFP σηματοδοτείται από το σημείο πρόσβασης με την εκπομπή του μηνύματος CFP-End. Όταν το σημείο πρόσβασης επιθυμεί να εκκινήσει μια περίοδο CAP, καταλαμβάνει το μέσο και χρησιμοποιεί το μήνυμα CF-Poll για να εκχωρήσει ένα διάστημα HCCA-TXOP σε κάποιο σταθμό. Ο μηχανισμός πρόσβασης EDCA Το βασικό μοντέλο πρόσβασης στο μέσο που προβλέπεται από το πρότυπο IEEE 802.11e είναι το πρωτόκολλο ανταγωνισμού EDCA. Έχει σχεδιαστεί να υποστηρίζει κυκλοφορία με προτεραιότητες, όμοια με το DiffServ, σε μια προσπάθεια παροχής ποιότητας υπηρεσίας. Το EDCA αποτελεί εξέλιξη της τεχνικής DCF. Σύμφωνα με το EDCA, όταν ένας κινητός σταθμός επιθυμεί να μεταδώσει ένα πακέτο και το κανάλι είναι απασχολημένο, τότε περιμένει μέχρι να ελευθερωθεί το μέσο και αναβάλει τη διεκδίκηση του καναλιού για ένα πρόσθετο χρονικό διάστημα, που καλείται AIFS (Arbitrary Distributed Interframe Space). Αν το κανάλι παραμείνει αδρανές για διάστημα ίσο με AIFS, ο σταθμός ξεκινάει τη διαδικασία υπαναχώρησης (backoff) επιλέγοντας ένα τυχαίο αριθμό σχισμών υπαναχώρησης (backoff slots) από ένα παράθυρο ανταγωνισμού. Ο αντίστοιχος μετρητής υπαναχώρησης (backoff counter) μειώνεται μόνο όταν το κανάλι ανιχνεύεται αδρανές. Όταν φτάσει στο μηδέν, τότε μεταδίδεται το σχετικό πλαίσιο και ο σταθμός-αποστολέας περιμένει την επιβεβαίωση ACK. Αν η επιβεβαίωση δε ληφθεί επιτυχώς εντός μιας συγκεκριμένης περιόδου, τότε ο σταθμός υπαναχωρεί και μπαίνει στη διαδικασία επαναμετάδοσης χρησιμοποιώντας ένα μεγαλύτερο παράθυρο ανταγωνισμού. Στο Σχήμα 1.5 έχουμε μια αναπαράσταση της λειτουργίας του πρωτοκόλλου EDCA, όπου φαίνεται και η «χειραψία» RTS/CTS. Στο EDCA, η υποστήριξη ποιότητας υπηρεσίας υλοποιείται με την εισαγωγή των Κατηγοριών Πρόσβασης (Access Categories, ACs). Η παράδοση των πλαισίων γίνεται μέσω πολλαπλών διαδικασιών υπαναχώρησης μέσα σε ένα σταθμό, με την κάθε τέτοια διαδικασία να παραμετροποιείται ανάλογα με την κατηγορία πρόσβασης. Σε κάθε σταθμό, υπάρχουν τέσσερις περιοχές προσωρινής αποθήκευσης πακέτων που αντιστοιχούν στις τέσσερις κατηγορίες πρόσβασης. Οι οκτώ δυνατές Προτεραιότητες Χρήστη (User Priorities, UPs) που αναθέτονται στην παραχθείσα κυκλοφορία αντιστοιχίζονται στις τέσσερις κατηγορίες πρόσβασης.

17 Συγκεκριμένα, η UP[0] αντιστοιχίζεται στην AC[0], οι UP[1] UP[2] αντιστοιχίζονται στην AC[1], οι UP[3] UP[4] UP[5] αντιστοιχίζονται στην AC[2], και οι UP[6] UP[7] αντιστοιχίζονται στην AC[3]. Ο μηχανισμός αυτός καθιστά εφικτή τη διαφοροποίηση της κυκλοφορίας. Κάθε κατηγορία AC μέσα σε ένα σταθμό διεκδικεί πρόσβαση στο μέσο και ξεκινά ανεξάρτητα διαδικασία υπαναχώρησης αφού ανιχνεύσει ότι το κανάλι είναι αδρανές για διάστημα AIFS. Προκειμένου να ευνοηθεί η κυκλοφορία υψηλής προτεραιότητας, στις υψηλότερες κατηγορίες πρόσβασης εκχωρούνται μικρότερες τιμές για τα διαστήματα AIFS, γεγονός που τους δίνει πλεονέκτημα κατά τον ανταγωνισμό για πρόσβαση στο μέσο. Επιπλέον, όσο υψηλότερη είναι μια κατηγορία AC τόσο μικρότερο είναι το παράθυρο ανταγωνισμού της. Οπότε, ένα πλαίσιο υψηλής προτεραιότητας θα επιλέξει πιθανόν μικρό αριθμό σχισμών υπαναχώρησης (backoff slots), αυξάνοντας έτσι τις πιθανότητές του να «κερδίσει» στον ανταγωνισμό του καναλιού. Όταν μια κατηγορία AC χρειάζεται να αρχικοποιήσει μια διαδικασία υπαναχώρησης, επιλέγει έναν τυχαίο αριθμό σχισμών υπαναχώρησης εντός του διαστήματος [0, CW]. Κάθε φορά που λαμβάνει χώρα μια νέα υπαναχώρηση, το παράθυρο ανταγωνισμού διπλασιάζεται, ξεκινώντας με την τιμή CWmin και τελικά φτάνοντας στο CWmax, το οποίο αντιστοιχεί στη μέγιστη τιμή για το παράθυρο CW. Στις κατηγορίες πρόσβασης αναθέτονται διαφορετικές παράμετροι CWmin και CWmax. Στις κατηγορίες πρόσβασης υψηλής προτεραιότητας εκχωρούνται χαμηλές τιμές για τις σχετικές παραμέτρους, έτσι ώστε να έχουν αυξημένες πιθανότητες πρόσβασης στο μέσο. Το μοντέλο αυτό ολοκληρώνει την υποστήριξη ποιότητας υπηρεσίας που παρέχεται από το EDCA. Η ανάθεση ευκαιριών μετάδοσης (TXOP) στους σταθμούς προσφέρει περιορισμένη ποιότητα υπηρεσίας. Η διαδικασία υπαναχώρησης οδηγεί σε σπατάλη του εύρους ζώνης, ωστόσο, είναι απαραίτητη προκειμένου να αποτραπούν οι συγκρούσεις που προκαλούν επιπλέον μείωση της απόδοσης. Τα χαρακτηριστικά της τοπολογίας προκαλούν επιπρόσθετα προβλήματα, όπως αυτό του «κρυφού σταθμού» που οδηγεί σε συγκρούσεις παρά τη λειτουργία του μηχανισμού υπαναχώρησης. Η χρήση της χειραψίας RTS/CTS περιορίζει το πρόβλημα, ωστόσο, αυξάνει τη δικτυακή επιβάρυνση (overhead). Η ρύθμιση των παραμέτρων του πρωτοκόλλου αποτελεί ένα τρόπο βελτίωσης της απόδοσης υπό συγκεκριμένες

18 γνωστές συνθήκες, αλλά δεν πρόκειται για μια ολοκληρωμένη λύση στο ζήτημα της υποβάθμισης της απόδοσης. Το EDCA σίγουρα εμπλουτίζει τον «κλασικό» μηχανισμό πρόσβασης DCF με υποστήριξη ποιότητας υπηρεσίας, ωστόσο, γίνεται εμφανές ότι ουσιαστικά μπορεί να εξυπηρετήσει μόνο περιορισμένη κυκλοφορία χαμηλών απαιτήσεων ποιότητας υπηρεσίας. Ένα άλλο μειονέκτημα του EDCA σχετίζεται με τον αλγόριθμο εκθετικής υπαναχώρησης, ο οποίος μπορεί να μην είναι κατάλληλος για εφαρμογές «ευαίσθητες» στην ποιότητα υπηρεσίας. Τα συγκρουόμενα πακέτα υποτίθεται ότι θα έπρεπε να μεταδίδονται νωρίτερα από οποιαδήποτε νέα πακέτα. Ωστόσο, τα συγκρουόμενα πακέτα «τιμωρούνται» από την εκθετική υπαναχώρηση με μεγαλύτερους χρόνους αναμονής, ενώ στα νέα ανταγωνιζόμενα πακέτα αναθέτονται μικροί χρόνοι αναμονής. Η εκθετική υπαναχώρηση μπορεί να προκαλέσει υψηλή διακύμανση της ρυθμαπόδοσης και της καθυστέρησης σε καταστάσεις υπερφόρτωσης. Επιπλέον, έχει αποδειχτεί ότι το EDCA μπορεί να είναι «άδικο» όταν οι κινητοί σταθμοί βρίσκονται υπό διαφορετικές συνθήκες [36]. Τέλος, το EDCA δεν υποστηρίζει εξοικονόμηση ενέργειας. Ο μηχανισμός πρόσβασης HCCA Στο HCCA, κάθε Ροή Κυκλοφορίας (Traffic Stream, TS) έχει τη δική της περιοχή προσωρινής αποθήκευσης πακέτων (packet buffer). Οι προδιαγραφές κυκλοφορίας (traffic specification, TSPEC) είναι υπεύθυνες για τη διαχείριση των ροών κυκλοφορίας. Παρέχουν τη ζεύξη διαχείρισης μεταξύ ανώτερου επιπέδου πρωτόκολλων ποιότητας υπηρεσίας, όπως τα IntServ και DiffServ, με τις λειτουργίες πρόσβασης στο κανάλι του 802.11e (HCCA και EDCA, αντιστοίχως). Κάθε TSPEC περιγράφει χαρακτηριστικά των ροών κυκλοφορίας, όπως το μέσο ρυθμό δεδομένων, το μέγεθος της μονάδας δεδομένων MSDU (MAC Service Data Unit) και το μέγιστο διάστημα RSI (Required Service Interval). Κάθε ροή κυκλοφορίας στέλνει αρχικά μια αίτηση ποιότητας υπηρεσίας στο σημείο πρόσβασης, η οποία περιέχει αυτά τα χαρακτηριστικά κυκλοφορίας. Ο αλγόριθμος προγραμματισμού (scheduling algorithm) αρχικά υπολογίζει την ελάχιστη τιμή μεταξύ όλων των διαστημάτων RSI και έπειτα επιλέγει το μεγαλύτερο υποπολλαπλάσιο της διάρκειας του υπερπλαισίου ως το Διάστημα Υπηρεσίας (Service Interval, SI) το οποίο είναι μικρότερο από το ελάχιστο μεταξύ όλων των RSI. Το SI

19 είναι το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο διαδοχικών διαστημάτων TXOP που έχουν ανατεθεί σε ένα σταθμό. Ο απλός αλγόριθμος προγραμματισμού που χρησιμοποιείται στο HCCA υπολογίζει τα διαστήματα TXOP που αναθέτονται στις διάφορες ροές κυκλοφορίας ως εξής: Το διάστημα TXOP αντιστοιχεί στο χρόνο που απαιτείται για να μεταδοθούν όλα τα πακέτα που γεννιούνται μέσα στην αντίστοιχη περιοχή προσωρινής αποθήκευσης της ροής κυκλοφορίας (TS buffer) κατά τη διάρκεια ενός διαστήματος SI. Ο μέσος αριθμός πακέτων (N ij ) που γεννιούνται σε ένα TS buffer (j) για ένα σταθμό (i) κατά τη διάρκεια ενός διαστήματος SI είναι: r ijsi N ij =, M ij όπου r ij είναι ο μέσος ρυθμός δεδομένων για τη συγκεκριμένη εφαρμογή και M ij είναι το ονομαστικό μέγεθος της μονάδας MSDU. Το διάστημα TXOP (T ij ) υπολογίζεται τελικά ως ακολούθως: N ij M ij M max Tij = max( + 2SIFS + T ACK, + 2SIFS + TACK ), όπου R είναι ο ρυθμός R R μετάδοσης που υποστηρίζεται από το φυσικό στρώμα και M max είναι το μέγιστο μέγεθος της μονάδας MSDU. Το χρονικό διάστημα 2SIFS + TACK αντιστοιχεί στη δικτυακή επιβάρυνση (overhead) κατά την διάρκεια ενός διαστήματος TXOP. Ο τύπος υπολογισμού του διαστήματος TXOP εγγυάται ότι αυτό θα είναι αρκετά μεγάλο ώστε να μεταδοθεί τουλάχιστον ένα πακέτο μέγιστου μεγέθους. Το συνολικό διάστημα TXOP που ανατίθεται σε ένα σταθμό είναι το σύνολο των διαστημάτων TXOP που αναθέτονται στις διαφορετικές ροές κυκλοφορίας του συγκεκριμένου σταθμού, δηλαδή: TXOP = Fi i T ij j= 1, όπου F i είναι το πλήθος των ροών κυκλοφορίας ενός σταθμού i. Ο αλγόριθμος ελέγχου εισαγωγής (admission control) εξετάζει το διαθέσιμο εύρος ζώνης πριν αναθέσει διάστημα TXOP σε μια νέα ροή κυκλοφορίας. Το τμήμα του συνολικού χρόνου που ανατίθεται σε ένα σταθμό i είναι: TXOP i SI. Αν ο συνολικός αριθμός σταθμών που τους έχουν α- νατεθεί διαστήματα TXOP είναι K, τότε ο χρονοπρογραμματιστής (scheduler) χρειάζεται να ελέγξει αν η νέα αίτηση για διάστημα TXOP K+1 θα διατηρήσει το τμήμα του χρόνου που ανατίθεται για χρονικά διαστήματα μετάδοσης TXOP κά-

20 τω από το μέγιστο τμήμα του συνολικού χρόνου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από το HCCA: TXOP SI K + 1 + K i= 1 TXOPi T SI T CAPLimit Beacon, όπου T CAPLimit είναι η μέγιστη επιτρεπτή διάρκεια του HCCA μέσα σε ένα υπερπλαίσιο/διάστημα σηματοδοσίας (TBeacon). Υπάρχουν κάποια μειονεκτήματα που σχετίζονται με τη λειτουργία του HCCA. Αναφορικά με το μηχανισμό βολιδοσκόπησης (polling mechanism), κάποιο μέρος του πολύτιμου εύρους ζώνης σπαταλάται εξαιτίας της αποστολής των πακέτων βολιδοσκόπησης προς τους σταθμούς. Η χρήση επιβεβαιώσεων επίσης δαπανά εύρος ζώνης. Καθώς ο στόχος είναι η επίτευξη υψηλής ρυθμαπόδοσης παρά η αξιοπιστία, η επιβεβαίωση των πακέτων κυκλοφορίας πραγματικού χρόνου μοιάζει ανώφελη. Ακόμη, όλοι οι σταθμοί είναι αναγκασμένοι να παραμένουν συνεχώς πλήρως ενεργοί αναμένοντας πακέτα δεδομένων ή βολιδοσκόπησης, έτσι έχουμε υψηλή κατανάλωση ενέργειας. Σχετικά με τον αλγόριθμου προγραμματισμού, ένα σημαντικό μειονέκτημα αποτελεί το γεγονός ότι τα διαστήματα TXOP είναι σταθερά. Οπότε, δεν είναι δυνατό να υποστηριχθεί με αποδοτικό τρόπο κυκλοφορία μεταβλητού ρυθμού bit (VBR), καθώς πιθανές απότομες αυξήσεις στο ρυθμό γέννησης bit θα προκαλούσαν αυξημένες καθυστερήσεις και απορρίψεις πακέτων. Επιπλέον, ο αλγόριθμος προγραμματισμού δε λαμβάνει υ- πόψη προτεραιότητες στις ροές κυκλοφορίας. Απλά χρησιμοποιεί τις απαιτήσεις ποιότητας προκειμένου να αναθέσει διαστήματα TXOP. Αυτό σημαίνει ότι η κυκλοφορία δε διαφοροποιείται αποδοτικά σύμφωνα με τις απαιτήσεις για υποστήριξη ποιότητας υπηρεσίας (QoS support). 1.5. Σχήματα Σχήμα 1.1. Σενάρια: (α) «κρυφό» και (β) «εκτεθειμένο» τερματικό

21 Υπηρεσία χωρίς Ανταγωνισμό PCF (προαιρετικό) Υπηρεσία με Ανταγωνισμό DCF (CSMA/CA) IR PHY FHSS PHY DSSS PHY OFDM PHY Σχήμα 1.2. Η αρχιτεκτονική συστήματος του IEEE 802.11 Σχήμα 1.3. Η λειτουργία της τεχνικής DCF SI SI EDCA HCCA Πλαίσιο σηματοδοσίας HCCA TXOP 1 HCCA TXOP 2 Πρόσβαση βάσει ανταγωνισμού (EDCA TXOP) HCCA TXOP 1 HCCA TXOP 2 Πρόσβαση βάσει ανταγωνισμού (EDCA TXOP) Πλαίσιο σηματοδοσίας CAP CFP CP Διάστημα σηματοδοσίας 802.11e (υπερπλαίσιο) Σχήμα 1.4. Το υπερπλαίσιο του 802.11e AIFS[j] Low Priority AC DATA SIFS ACK AIFS[i] SIFS High Priority AC RTS SIFS CTS SIFS DATA Defer Access Defer Access Σχήμα 1.5. Ο μηχανισμός πρόσβασης στο κανάλι EDCA