Rádiókommuikációs hálózatok Készült az NJSZT Számítógéphálózat modellek Tavaszi Iskola elöadás-sorozataihoz. 977-980. Gyarmati Péter IBM Research, USA; Budapest Föváros Taácsa. I this paper we show a somewhat ew etworkig method: the broadcastig type of commuicatio for computer etworkig. The paper itroduce the basic techics together with their desig ad evaluatio method. The secod part shows the pocket-switchig model with the aalisys of the collisios, the chael troughput, together with the stability. The last part shows some method to improve ad ehace the capacity of such broadcastig pocket swithig etwork. The author lives i Hugary. This work was writte at IBM Research ad offered for the Sprig Shool Series of NJSZT. Dr. Gyarmati Péter. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
Dr. Gyarmati Péter 2. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
Tartalom jegyzék Rádiókommuikációs hálózatok.... Bevezetés...5 2. Alapvetö forgalomszervezési típusok...5 2. Idöosztásos forgalom...6 2.2 Frekveciosztásos forgalom...6 2.3 Pollig redszerü forgalom....7 2.4 Véletleelérésü forgalom...8 3. A véletle-elérésü forgalom modellje...9 3. A modell....9 3.2 A müködés vizsgálata...0 3.3 Stabilitás...3 4. A véletle-elérésü forgalom kiegészítési és bövítési lehetöségei...6 4. Részleges szikroizáció...6 4.2 Csatora foglalás...6 4.3 Ütközési valószíüség csökketése...7 4.4 A kommuikációs csatora, illetve a közpoti állomás bövítése...8 5. Összefoglalás...8 6. Irodalom...9 Dr. Gyarmati Péter 3. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
Dr. Gyarmati Péter 4. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
. Bevezetés A techikai fejlödés, a kiépítés egyszerüsége és a relatív olcsósága miatt az utóbbi évekbe elötérbe került a rádiókommuikációs redszerek alkalmazása számítógépes hálózatok kiépítése céljából is. Az alkalmazás elve léyegébe az, hogy agy sebességü rádiókommuikációs csatorá (vagy csatoráko) valamilye többszörös elérésü séma alapjá üzeetközvetítök (felhaszálók) osztozak. Számítógép hálózatok céljára való alkalmazásáak agy elöye a rádiókommuikáció már kialakult tapasztalatokkal redelkezö müködése, függetlesége a korlátozott kiépítésü vezetékes hálózatoktól, valamit az a téy, hogy a felhaszálók számát em korlátozza semmilye techikai körülméy (hol va vezeték és meyi, stb.). Korlátla bevezetéséek azoba bizoyos hátráyos tulajdoságok határt szabak. Ilye tulajdoság az üzeetek ütközéséek (iterferecia) esete, amikor két-, vagy több adóállomás egyszerre küldi üzeetét. Eek a problémáak a feloldási lehetöségeiröl késöbb még lesz szó. 2. Alapvetö forgalomszervezési típusok Az üzeetközvetítés leboyolításáak a csatorá..csatoraforgalom számos megoldása lehetséges. Példakét bemutatuk éháy ilye forgalomszervezési megoldást, amelyekek midegyike valamilye többszörös elérési sémát (multi-access) alkot. Dr. Gyarmati Péter 5. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
2. Idöosztásos forgalom. A más területröl jól ismert idöszeleteléses megoldás, amikor az i-edik felhaszáló kommuikálhat (az idöszeletek allokációja esetleg diamikusa is változtatható)..ábra Müködése a klasszikus módszerekkel elemezhetö és tervezhetö. A redszer felsö korlátját a felhaszálók maximális száma a teljes idöciklusból adódó várakozási idö elfogadhatósága határozza meg (a diamikus változtatás kiegészítö kommuikációs felszerelést igéyel). 2.2 Frekveciosztásos forgalom. A kommuikációs csatora frekvecisávokba szubcsatorákra va felosztva bizoyos biztosági sávközök kihagyásával. Az i-edik szubcsatora tartozik az i-edik felhaszálóhoz (a szubcsatora allokációk diamikusa is változtathatóak). 2.ábra Dr. Gyarmati Péter 6. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
A felhaszálók maximális számát a szükséges szubcsatora sávszélesség határozza meg. Az allokáció diamikus változásával tovább övelhetö a felhaszálók száma, azoba a várakozási idö a váltások számával többszörözödik (a diamikus változtatás kiegészítö kommuikációs felszereléseket igéyel). Elemzése, tervezése a klasszikus módszerekkel lehetséges. 2.3 Pollig redszerü forgalom. A közpoti állomás valamilye meghatározott sorredbe lekérdezi a felhaszálókat, hogy va-e átviedö üzeet. Üres felhaszálói puffer eseté azoal továbblép. Léyegébe az idöosztásos redszer továbbfejlesztéséek tekithetö, tervezési feltételei avval azoosak. 3.ábra A lekérdezés miatt adódó overhead árá a kommuikációs csatora maximális kihaszálását teszi lehetövé. A várakozási idö em a felhaszálók számától, haem azok aktivitásától függ (az egyszerü idöosztásos forgalomhoz képest kiegészítö kommuikációs felszereléseket igéyel). Dr. Gyarmati Péter 7. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
2.4 Véletleelérésü forgalom. A forgalom elve az, hogy amit egy üzeet elkészült az átvitel azoal elkezdödik. A közpoti állomás az üzeet vételét egy válaszcsatorá yugtázza. 4.ábra Várakozási idö ebbe a redszerbe ics, azoba az egyes termiálok egymástól függetle üzeetei ütközhetek a közös átviteli csatorába, ami az átvitel meghiúsítását jeleti az összes egyidejü, --ütközö-- üzeetre. Emiatt az átvitel megismétlésére kell számítai, ami végül is valamilye statisztikusa kiértékelhetö várakozási idöhöz vezet. A redszer aalízise és tervezése a szokásostól eltérö módszerü, amelyre a késöbbiekbe visszatérük. Egyszerü kiegészítö felszereléssel a redszerbe bizoyos szikroizálást lehet bevii, amelyek révé az ütközések száma jeletöse csökkethetö. A szikroizáció léyege, hogy az üzeet-átvitelek csak az üzeethosszak megfelelö idöitervallumok kezdetekor idíthatók. A feti forgalmi redszerek mellett számos más forgalmi megoldás is elképzelhetö, amelyek azoba általába visszavezethetök az itt ismertetettekre, illetve ezek valamilye kiegészítései, kombiációi. Dr. Gyarmati Péter 8. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
Az ismertetett forgalmi redszerek közül a továbbiakba a véletle-elérésü forgalommal foguk foglalkozi, mivel a tervezése, elemzése eltérö a többiekétöl és a hagyomáyos módszerekkel em követhetö. A közismert ALOHA redszer, illetve aak külöbözö továbbfejlesztései mid ezt a sémát követik és több éves müködésük számos gyakorlati tapasztalattal bizoyították a véletle-elérésü forgalom elöyeit. 3. A véletle-elérésü forgalom modellje. 3. A modell. A müködés vizsgálata és a forgalom tervezhetösége érdekébe a késöbbi kiterjeszthetöség figyelem elött tartásával az alábbi módo fogalmazzuk meg a modellt: - egy meghatározott frekveciá tetszöleges számú termiál üzeeteket küld és fogad egy közpoti állomással (forgalom kiszolgáló); - egy másik frekveciá a közpoti állomás az üzeet vételét yugtázza; - az üzeetek fix hosszúságúak és az átvitelük zajmetes csatorá törtéik (vagyis a véletle zaj okozta hibák elhayagolhatóak az ütközésekhez képest); - ha egy termiálhoz véges idö belül em érkezik yugtázás a küldött üzeetre, akkor ütközést kell feltételezi; - ütközés eseté az összes éritett üzeet átvitelét hibásak feltételeztük és a termiálok az üzeetük átviteléek megismétlésére kéyszerülek; - az átvitel megismétlésére egy bizoyos késleltetés utá kerülhet sor a késleltetési idök véletleszerüe külöbözek az egyes termiáloko, az ismételt összeütközések valószíüségéek csökketése érdekébe; Dr. Gyarmati Péter 9. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
- az átvitel sikeres befejezésével a termiálo újabb üzeet készítése kezdödhet. 5.ábra 3.2 A müködés vizsgálata A müködés vizsgálatához feltételezzük, hogy az egyes üzeetek (az új és az ismételt együtt) közötti idöközök eloszlása függetle és expoeciális. A számításhoz az alábbi jelöléseket vezetjük be: : egy üzeet átviteléhez szükséges idö k : az aktív termiálok száma :üzeetgeerálási ráta termiálokét r : üzeetgeerálási ráta a redszerbe. Akkor r k, általáosabba r k i i Dr. Gyarmati Péter 0. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
Az átviteli csatora terhelése az r sorozattal jellemezhetö, amelyek értéke maximálisa lehet. Ez az érték azoba em érhetö el, mert mit láttuk üzeetütközések is elöfordulak, ismétlés is va, amely a csatora forgalmát a haszos üzeetek kárára öveli. Be kell vezetük tehát a csatora forgalom fogalmát is, ez R, ahol R r. A csatoraforgalom - R tehát a csatorá téylegese áthaladó üzeetközvetítés mértéke, míg a csatoraterhelés - r ebböl csak a haszos, a közpoti állomás által átvett és yugtázott üzeek mértéke. A külöbséget a modell ábrája is mutatja. A feladat tehát meghatározi az eloszlásra és a késleltetésre voatkozó - a modellbe meghatározott-- feltételek mellett a csatorá átvihetö haszos üzeetek várható meyiségét. Eek alapjá a redszer további jellemzöi is meghatározhatók leszek. A modell alapjá az alábbi valószíüségek feállak:. p(t itervallumba em lesz start)= e 2. p(ismétlés elöfordul)= e 2R ahol T 2 köye belátható, mivel egy üzeet egy öt megelözö, vagy egy öt követö üzeettel találkozhat csak. Eek alapjá az ismétlések átlagos értéke: 2R 2R R ( e ) és akkor R r R( e ) csatoraterhelés: r R e 2R RT ie a Ha ezt az összefüggést a csatoraterhelést a csatoraforgalom függvéyébe megvizsgáljuk, akkor azt Dr. Gyarmati Péter. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
találjuk, hogy a függvéyek az va, amit az ábrá bemutatuk. r helye szélsö értéke 2e 6.ábra Ez azt jeleti, hogy a csatorá átvihetö haszos üzeetek száma várhatóa csak a csatora teljes kapacitásáak ed része lehet (kereke 8 %-a). A téyleges csatora forgalom a kapacitás 50 %-át teszi ki ebbe az esetbe. Ameyibe tovább övelék az új üzeetek számát, akkor az ütközések száma is övekede, ö a csatoraforgalom, de amit az ábrá is látszik-- csökke a haszos terhelés és a redszer istabillá válik (az ismétlések száma mide határo túl öhet). Megállapíthatjuk tehát, hogy a redszert a redelkezésre álló kommuikációs csatora kapacitásáak ed részére lehet csak tervezi. 2e A továbbiakba ézzük meg, hogya haszálható fel ez az összefüggés az egyidejüleg aktív termiálok maximális számáak meghatározásához. A számításhoz tételezzük fel, hogy a redelkezésre álló kommuikációs csatora sebessége és egy üzeet mérete alapjá az egy csomag átviteli ideje: 34 ms. Tételezzük fel továbbá, hogy az összes termiálo azoos sebességgel dolgozak és percekét egy üzeetet 2e készíteek a felhaszálók, tehát. 60 Dr. Gyarmati Péter 2. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
A feltételezésük szerit: r k 2e k max ( 2e ) és ie A felvett értékeket behelyettesítve k 324értéket kapjuk, vagyis egyidöbe maximálisa 324(!) termiál lehet aktív, ami em kis érték a gyakorlatba elöforduló termiálhálózatokat tekitve. Az összefüggés felhaszálható a közpoti állomás terheléséek a megállapítására is. Tételezzük fel, hogy közpoti állomás m axim álisa 24 kb sebességü csatorát képes kiszolgáli (ez megegyezik a példa kommuikációs csatorájáak a sebességével), akkor az állomás terhelése 24000/2e 4000 bit/sec. Tehát jeletös kapacitás marad a közpoti állomás multiplexerébe a szükséges admiisztráció és további feladatok elvégzésére még ilye lassú gép eseté is. max 3.3 Stabilitás A csatoraterheléssel ö az ütközések és evvel az ismétlések száma és ez tovább öveli a csatoraforgalmat, ami ismét csak öveli az ütközések valószíüségét és így tovább. Ha egy ilye --kumulatív folyamat helyzet kialakul., akkor szite bizoyosra vehetö, hogy a redszer telítésbe megy át és végül is em lesz haszos átvitel, csak ütközés. Dr. Gyarmati Péter 3. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
Fayolle, Gelebe, Labetuelle [2] kimutatták, hogy az ilye állapot elkerülhetö, a redszer stabilizálható az ismétlések valamilye szabályozásával. A továbbiakba a bizoyítás bem u tatásáak m ellözésével tekitsük át a stabilitást biztosító szabályozás módját. Vegyük fel az alábbi valószíüségeket:. f () =p(ismétlés idult egy blokkolt termiálról) 2. c i =p( i új üzeet átvitele kezdödik egyszerre) 3. () g i termiálok száma) =p( i blokkolt termiálról ismétlés va és a blokkolt Kimutatható, hogy i g i ( ) f ( ) f ( ) i i Feltételezzük, hogy az új üzeetek száma függetle a blokkolt termiálok számától, akkor a csatoraterhelés -re az alábbi feltételes valószíüséggel fejezhetö ki: S ( f ) =p(sikeres átvitel blokkolt termiál)= c g ) c g ( ) 0 ( 0 A feladatuk a csatoraterhelés - S ( f ) maximalizálása az ism étlések fü ggvéyébe. Ez a felad at az f () alkalmas meghatározásával érhetö el. Eszerit tehát, a részletes számítások mellözésével max S ( f ) c 0 a ahol a c c 0 Ha f ( ) f * ( ) c0 c 0 c c a a Dr. Gyarmati Péter 4. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
vagyis (visszahelyettesítve S ( f ) kifejezésébe): S ( f ) c 0 a a ha c e 0 a Ha az új startokra Poisso eloszlást feltételezük akkor ci e, i! i a max. S ( f ) e e e e 0,368 Végü l, ha az ism étlések vezérlése f * ( ), akkor a teljes csatoraterhelés: S( f ) p( i blokkolt termiál) S ( f ) e i 0 i Tehát az f * ( ) vezérlés biztosítja midekor a haszos átvitelek - csatoraterhelés maximális értékét és így a redszer stabil marad. A redszer stabilitását az ismétlések idításáak a korlátozásával értük el. A feti vezérlés mellett kiszámítható még az blokkolt term iál okozta ism étlésekböl szárm azó kiegészítö csatoraforgalom is. Ez a számítások mellözésével az alábbi: * a f ( ) a a Dr. Gyarmati Péter 5. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
4. A véletle-elérésü forgalom kiegészítési és bövítési lehetöségei. Mit láttuk a véletle-elérésü forgalmi megoldású kommuikációs hálózat az egyszerü topológia és a agy megbízhatóságú kommuikációs hordozó által adott elöy alacsoy csatora-kihaszálással müködik, söt az istabilitás veszélye miatt a redszer várakozási ideje expoeciálisa övekszik a terheléssel. A feti hátráyok elkerülésére, illetve hatásuk csökketésére -- további feltételek bevezetésével, illetve kiegészítö beredezések segítségével-- külöbözö megoldási lehetöségek vaak. Az alábbiakba rövide áttekitjük ezeket. 4. Részleges szikroizáció A kommuikációs beredezés kiegészítésével a közpoti állomás hosszúságú idöszakokét a válaszcsatorára szikrojelet bocsát ki, amelyet a termiálok veszek az üzeet átvitel megkezdéséek szikroizálására. Köye belátható, hogy ezáltal az egy üzeetre voatkozó ütközési valószíüség idötartama a korábbi 2 helyett -ra csökke. Evvel a lehetséges csatoraforgalom a kétszeresére, 36 %) övekszik. (SLOTTED ALOHA). -re (kb. e 4.2 Csatora foglalás A megoldás léyege az, hogy a müködés bizoyos idöszakára a csatorát meghatározott felhaszálók kizárólagosa vehetik igéybe. A lefoglalás szabályozása tetszöleges algoritmus alapjá, vagy ötletszerüe is lehetséges. Gyakorlati értelme például agyobb adatmeyiségek összefüggö egységbe Dr. Gyarmati Péter 6. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
törtéö átvitele céljából va. A megoldás tervezése visszavezethetö az idöosztásos redszer esetére. 4.3 Ütközési valószíüség csökketése Külöbözö kiegészítö kommuikációs beredezésekkel csökketei lehet az ütközések számát. Eek többféle megoldása lehet: - A vivö frekvecia figyelése, amikor a termiál az üzeetet csak akkor idítja el, ha a csatorába ics éppe adás em hallható rajta vivöfrekvecia. Ez a megoldás csak esetleges és jól láthatóa a termiálkezelö türelmétöl függ. Mideesetre a várakozási idö rovására az ütközések számáak csökkeésére lehet számítai. - Hasoló megoldás a közpoti állomás által kiadott foglaltsági jelzés figyelése is. - Az adóteljesítméy, illetve az adás érthetöség megkülöböztetése révé lehetövé válik, hogy a közpoti állomás az ütközött üzeetek közül a agyobb teljesítméyüt ha még érthetö vegye és ezzel eek ismétlésére em lesz szükség. A megoldás hátráya, hogy a kedvezöbb adási körülméyü termiálok többyire em kívát privilegizált helyzetbe kerülek a többiek rovására. - A termiálok adóteljesítméyéek tudatos, szádékos szabályozásával, változtatásával azoba a termiálokat külöbözö módo csoportosítai lehet. Ilye módo például egy prioritásos redszer kialakítása is lehetséges. Ezekkel a módszerekkel a haszos csatoraforgalom tovább övelhetö (50 % fölé is). A megoldás módja, a redszer Dr. Gyarmati Péter 7. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
tervezése és stabilitásáak biztosítása eltér az eddig tárgyaltaktól. 4.4 A kommuikációs csatora, illetve a közpoti állomás bövítése. A termiálok számáak, vagy aktivitásáak övelése, vagy a várakozási idö csökketése elképzelhetö a kommuikációs csatorák számáak a övelésével, illetve eek megfelelö mértékbe a közpoti állomás multiplexerébe várakozósor kialakításával. A bövítésél külö kell megvizsgáli a termiál adócsatorák számát és a termiálok közötti kiosztásáak módját, a válaszcsatorák számát, illetve a multiplexer várakozósoráak hosszát és kezelését. A megoldás vizsgálata és tervezése, valamit a stabilitás biztosítása az eddigiekhez képest további kiegészítéseket igéyel és a következö elöadás tárgya lesz. 5. Összefoglalás A rádiókommuikációs hálózatok egyszerü topológiájuk, egyszerü techológiájuk, köyü tervezhetöségük és éháy más elöyük révé jeletös elterjedésre tarthatak számot. A redszer komoly hátráyáak tekithetö az alacsoyfokú csatora-kihaszálás és a várakozási idö expoeciális övekedése. Ezek a hátráyok azoba kiküszöbölhetöek, illetve jeletöségük csökkethetö külööse a mikroprocesszorok megjeleésével a külöbözö kiegészítések, bövítések célszerü alkalmazásával. Eek vizsgálata és tervezése a késöbbi elöadások témája lesz. Dr. Gyarmati Péter 8. oldal Rádiókommuikációs hálózatok
6. Irodalom A gyakorlati alkalmazások tapasztalatai (ALOH A red szer- Hawaii Egyetem) és azok elméleti továbbfejlesztése révé a rádiókommuikácós hálózatokak ma már kiterjedt irodalma va. Ezek közül a teljesség igéye élkül felsoroluk éháyat:. Abraham, N.: The troughput of Pocket Broadcastig Chaels. IEEE COM-25, (977), 7-28. 2. Fayolle, G., Gelebe, E., Labetouelle, L.: Stability ad Cotrol of Pocket Switchig Broadcast Chaels. Joural of the ACM, vol. 24. (977), 375-386. 3. Kleirock, L., Lam, S.: Pocket Switchig i a Multiaccess Broad cast Chael. IEEE COM-23, (975), 40-422 ad 89-904. 4. Metzer, J.J.: O improvig Utilizatio i ALOHA Networks. IEEE COM-24, (976), 447-448. 5. Gyarmati, P.: The ALOHA layout as a resource sharig. Hawaii Uiversity Papers, MENE-8, 974, 24-27. 6. Gyarmati, P.: A extesio for the pocket switchig etwork. The (m,d,l)aloha modell. Hawaii Uiversity Papers, MENE-0, 977, 77-8. Dr. Gyarmati Péter 9. oldal Rádiókommuikációs hálózatok