Kablosuz Ağlarda Hızlı ve Enerji Verimli homojen El-Değiştirme Yöntemleri
Ali Ekber YAÇİN
Harran Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği Öğrencisi
[email protected]
Özet: Multimedya (ses/video gibi) haberleşmelerinin kaliteli ve hızlı yapılabilmesi ve
özellikle hareket eden cihazlarda iletişimin homojen bir şekilde hızlı ve verimli olarak
yapma ihtiyacı doğmaktadır. Mobil istasyonların hareketliliğinden dolayı bir istasyonu
değiştirdiğimizde ilişkili AP sinyalini kaybedebilirsiniz. Bu durumda, istasyon geçişi
olduğu sürede yeni bir AP ile ilişkilendirerek kablosuz bağlantı korumaya çalışır.
Ancak, garantili QoS (Servis kalitesi) ile iletişimi sağlayan VoIP, video/ses akışı ve
video konferans gibi gerçek zamanlı uygulamalar için zor bir iştir. Özellikle mobil
cihazlarda AP(Erişim Noktası) değiştirirken (handoff) VoIP gibi multimedya
iletişimlerini kesintisiz bir şekilde aksaklık olamadan yapabilmek kablosuz ağlarda
büyük önem taşımaktadır. Bu yüzden bu bildiride kablosuz ağlarda hızlı ve kaliteli bir
şekilde multimedya için hızlı ve verimli el değiştirme (handoff) yöntemleri, uygulama
mantığı ve bu işlemleri yapacak olan bazı algoritmalar anlatılmaktadır.
Anahtar Kelimeler:
Kablosuz ağlar, hızlı verimli el-değiştirme (handoff), Multimedya, IEEE 802.11,
WLAN hızlı teslim
GİRİŞ
IEEE 802.11 Kablosuz Yerel Alan
Ağlarda büyük bir büyüme olmuştur.
Bugün IEEE 802,11 kablosuz yerel alan
ağıları (WLAN) üniversite kampüslerinde
havaalanı terminalleri, ofislerde ve diğer
kamu alanlarında düşük maliyet ve yüksek
bant genişliği nedeniyle yaygın olarak
kullanılmaktadırlar.
Band
genişliğinin
büyük olması ve kapsama alanın çok
yaygın olması web, e-posta, VoIP,
video/ses akışı, video konferans gibi
gerçek zamanlı multimedya hizmetlerin
daha da yaygınlaşmasına neden oldu.
Bununla birlikte kullanıcıların WLAN erişim
noktaları arasındaki etrafında hareket
ederken 802.11 WLAN servis kesintisi
veya kalitesinin bozulmasına neden olur.
Mobil aygıtlar gibi belirli wlan servis
aralığında hareket eden aygıtlar farklı
Erişim noktalarının (AP) arasında sık sık el
değiştirme yapar ve IEEE 802.11
standardının handoff gecikmesi birkaç yüz
milisaniye gibi küçük bir zamandır. Ancak
bu gecikme VoIP ve multimedya hizmetleri
akışı gibi gerçek zamanlı multimedya
uygulamaları için çok uzundur.
Ayrıca, WLAN ın gelişmesiyle dinamik
ağ servisi talepleri Erişim Noktaları ( AP)
arasında düzensiz trafik yüklerine neden
olduğu görülmüştür. Bu tür düzensiz trafik
yükleri kablosuz ağların yoğun kullanıldığı
bölgelerde sık görülür ve ağ kaynaklarının
verimsiz kullanımı, düşük ağ performansı
ve kullanıcı erişmesi gereken servis
kalitesinin düşük olmasına neden olabilir.
Bu yüzden her kullanıcı için daha iyi yük
dengesi yapılmalı ve dolayısıyla artan ağ
kaynaklarının kullanımında Quality-ofService ( QoS) için birden fazla AP
(Erişim
Noktasının)
mevcut
olduğu
durumlarda her mobil cihazın uygun bir AP
seçmesi sağlamalıdır.
Bu çalışmanın temel amacı ilk olarak,
mobil istasyonlar ve şebeke operatörlerinin
arasındaki bilgi alışverişini kolaylaştırarak
handoff tarama gecikmesini azaltılması
hedefleniyor. Böylece, mobil cihazlar ilgili
ağ bilgilerini elde etmek mümkün olacaktır.
Bir istasyon handoff öncesi erişilebilir AP
listesi oluşturarak tahmini örneklemelerle
tarama gecikme süresini önemli ölçüde
azaltabilir.
Bu
bağlamda,
tarama
gecikmesini daha fazla azaltmak ve
taranacak kanalların sayısını azaltmak için
akıllı bir seçici kanal tarama yöntemi
önerilebilir. Önerilen yöntem, yalnızca
seçilen kanallarda kanal taraması yaparak
istasyonun yerini tahmin eden bir
yaklaşımdır. Kısaca bu çalışmada özellikle
hareket halindeki aygıtların istasyon,
erişim noktası değişimi sırasında özellikle
multimedya iletişimlerde servis kalitesini
sağlamak için hızlı AP değiştirme ve
verimli olan AP ye bağlanmayı sağlayan
bazı yöntem ve materyaller anlatılmıştır.
İLGİLİ ÇALIŞMALAR
A-Akıllı Tarama ile hızlı
handoff [2]
IEEE 802.11 WLAN üzerinden
handoff sürecine odaklı bir çok eser
mevcuttur. Aşağıda iyi bilinen bazı
algoritmaların
kısa
açıklamaları
vardır.[3]
Received
signal
strength
indicator (RSSI)-based handover
(Alınan sinyal gücü göstergesi (RSSI)
tabanlı teslim), en yaygın olarak
kullanılan handoff yöntemdir. RSSI
hizmet kalitesini ölçmek için en kolay
yoldur. Bu nedenle, mevcut handoff
algoritmaları temel olarak RSSI
kullanır.
Available bandwidth - based
handover (Mevcut bant tabanlı teslim),
ağdaki trafik durumu ile ilgilidir. Mevcut
bant genişliği bit/sn ifadesidir ve
kullanılabilir veri kaynaklarını gösterir.
Power consumption - based
handover (Güç tüketimi tabanlı
teslim), mobil istasyonların pil seviyesi
ile ilgili olduğunu ve daha az güç
tüketen bir ağ keşfeder ise hemen o
ağa bağlanmayı hedefliyor. Maliyet,
güvenlik ve kullanıcı tercihleri de
handoff
süreci
için
önemli
parametrelerdir.
Bazı
algoritmalar
handoff kararında farklı ağlar için şarj,
güvenlik veya kullanıcı ilkelerini dikkate
alır.
Akıllı kanal tarama yöntemi ile
önerilen hızlı-handoff handoff süreci
boyunca iki eşik değeri kullanır. Bunlar
sırasıyla aktarma hazırlığı Tp ve
handoff (aktarma) çalıştırma Te dir.
İstasyon bağlı bulunduğu AP den
uzağa doğru hareket eder ve bir
sonraki erişim AP ye yaklaştıkça Şekil
1
deki
gibi
RSSI
değişimini
gözlenmektedir.
Şekil 2
Akıllı Seçici Kanal Tarama Şeması algoritması
İf ( hizmet veren bağlantı noktasının tp si eşikten düşük ise)
Boş bir listeye al ve IS yi bilgilendir
İf (Ağ topolojisi varsa)
en kısa mesafedeki İlk bağlantı noktasını tara
Şekil 1.
Bir istasyonun RSSI değeri Tp
eşiğin altına düşerse istasyon handoff
kararı için ağ keşif aşamasını başlatır.
RSSI değeri, Te eşik değere düşmeden
önce bu aşamada, önerilen akıllı kanal
tarama algoritması ile, bulunan erişim
noktaları arasından en iyi AP seçimi
amaçlanmıştır. Bir istasyonun RSSI değeri
Te eşiğin altına düşerse, istasyon hızla
handoff aşamasını başlatır ve sonraki AP
ile geçerli AP yer değiştirir.
Hızlı ve etkin bir kanal taramasında
bir sonuç elde etmek amacıyla, önerilen
akıllı kanalı tarama algoritması IEEE
802,21 bilgi sunucusu (IS) kullanır. IS ağ
bilgilerinin dağıtımını destekler ve mevcut
AP ve koordinatları (veya bağlantı grafiği),
AP kanal kullanım oranları gibi, mümkün
olduğunca çok bilgi sağlar. Şekil 2 de
IEEE 802,21 IS tarafından sağlanan bir
mesafe tabanlı bağlantı grafiği bir örnek
göstermektedir.
İf (istasyon araştırma sonrası bir yanıtı alırsa)
Kapsadığı alandaki bağlantı noktalarını hesaplayarak liste yap
While (Bu bölgede bağlantı noktası olduğu müddetçe)
en kısa mesafedeki bağlantı noktasını tara
İf (istasyon araştırma sonrası bir yanıtı alırsa)
Kapsadığı alandaki bağlantı noktalarını hesaplayarak yeni bir liste
yap
Else
hesapla
Geri kalan bölgede bulunan bağlantı noktalarının listesini
While (Bu bölgede bağlantı noktası olduğu müddetçe)
en kısa mesafedeki bağlantı noktasını tara
İf (istasyon araştırma sonrası bir yanıtı alırsa)
Kapsadığı alandaki bağlantı noktalarını hesaplayarak yeni bir liste
yap bağlantı
noktalarındaki RSSI değerleri ni azaltarak tara
Else
bilinen bir IEEE 802.11 aktif tarama listesi yerine bağlantı
noktalarındaki RSSI değerleri ni azaltarak tara
B- MAC Katmanı ile Handoff
Gecikmesini Azaltma [3]
Birçok yeni çalışma içinde öne çıkmış, bir
çok farklı alt ve mobil IP ve rota optimizasyonu
için dolaşım sırasında handoff gecikmesini
azaltmak için yapılmıştır.
Bu kısımda, MAC katmanında handoff
gecikmesini azaltmaya odaklanmıştır. MAC
katmanı handoff gecikme üç kısma ayrılabilir:
Sonlandırma gecikmesi, kimlik tanımlama
gecikmesi ve birleşme gecikmesi.
Tekrar birleştirme gecikmesi AP bir
önbelleğe alma mekanizması kullanılarak bunu
sağlar. Bu önbelleğe alma mekanizması komşu
AP ler arasındaki istemci ile bilgi alışverişi için
IAPP protokolü kullanır. AP önbelleği IAPP
altyapısı ile mesajında ya da müşteri
tarafından AP'ye gönderilen tekrar birleşme
isteği ile gönderilen bilgiler kullanılarak
oluşturulmuştur. Eski AP ile oluşumu istemci
bağlamı alışverişi ile yeni AP dolayısıyla tekrar
birleşme gecikmesini azaltarak, tekrar
birleşme için müşteriden kendi bilgilerini
tekrar göndermesi gerekmez.
IEEE 802.1x kimlik doğrulama gecikme hızlı
handoff ( FHR ) seçim algoritması kullanılarak
azarlatılabilir.
B-1 IEEE 802.11 Kablosuz LAN mimarisi
Kablosuz LAN istasyonu: istasyonu ( STA
)kablosuz ağın en temel bileşenidir. Ortam
erişim denetimi (MAC ) , fiziksel katman ( PHY
) ve kablosuz medya bağlantısı veya 802.11
protokolünün işlevselliğini içeren bir cihazdır.
Tipik olarak, 802.11 fonksiyonları bir ağ
arabirim kartı ( NIC)donanım ve yazılım
uygulanmaktadır. Bu bir istasyon, bir dizüstü
bilgisayar, taşınabilir aygıt veya bir Access
Point ( AP ) olabilir.
Basic Service Set ( BSS ) : Basic Service Set (
BSS ) 802.11 kablosuz LAN temel yapı taşıdır .
BSS istasyon herhangi bir sayıdaki bir grupdan
oluşur.
Service Set Identifier ( SSID ) : Bir hizmet
kümesi tanımlayıcısı ( SSID ) diğerinden ayıran
benzersiz bir WLAN etikettir . Böylece tüm AP
ve STAlar belirli bir WLAN bir parçası olmak
için çalışırken, aynı SSID değerini kullanmak
zorundadır. STAlar AP ile bir bağlantı kurmak
ve sürdürmek için SSID kullanır.
B-2 IEEE 802.11 Yönetimi Çerçeveleri
Tanımları
Authentication frame(Doğrulama çerçeve):
802.11 kimlik erişim noktası kabul eder veya
bir STA kimliğini reddeder bir süreçtir.
Association request frame(ilişkilendirme
İsteği Çerçevesi): 802.11 birleşme için kaynak
ayırmak ve bir STA ile senkronize erişim
noktası sağlar.
Association response frame(ilişkilendirme
Cevap Çerçevesi): Bir erişim noktası STA
isteyen bir birleşmeyi kabul ya da ret uyarısını
içeren bir birleşme tepki çerçevesi gönderir.
Reassociation
request
frame(Yeniden
ilişkilendirme istek çerçevesi): Bir STA şu anda
ilişkilendirilmiş erişim noktasından uzakta
dolaştığı ve başka bir erişim noktası daha güçlü
bir işaret sinyali bulursa, STA yeni erişim
noktasına yeniden ilişkilendirme çerçevesi
gönderir.
Reassociation
response
frame(Yeniden
ilişkilendirme cevap çerçevesi): Bir erişim
noktası STA yeniden ilişkilendirme talebini
kabul ya da ret uyarısını içeren bir yeniden
ilişkilendirme tepki çerçevesi gönderir.
Disassociation frame(ayrışma Çerçevesi): Bu
ilişki sonlandırmak isterse bir istasyon başka
istasyona bir ayrışma çerçeve gönderir.
Beacon frame(Işıltı ,Fener Çerçevesi): erişim
noktası periyodik olarak varlığını belirtmek için
aralıklarla sinyal çerçevesi gönderir
Probe request frame(Sonlandırma Probe
İstek Çerçevesi): Bir istasyon başka
istasyonundan bilgi alması gerektiğinde
araştırma istek çerçevesini gönderir.
Probe response frame(sonlandırma, Probe
İstek Çerçevesi): Bir araştırma istek
çerçevesini aldıktan sonra bir istasyon mevcut
bilgilerini içeren bir prob cevap çerçevesi ile
cevap verecektir.
C- Etkili AP Seçimi ve IEEE
802.11 Kablosuz LAN'larda
Yük Dengeleme [1]
İdeal AP seçim algoritması ile
şebeke servisinin yükleri devamlı denge
olmalıdır.
Geleneksel
yaklaşımlar
genellikle AP’ler arasında önemli ölçüde
dengesiz trafik yüklerine neden olur. Ve
AP’ler arasındaki trafik yükleri dikkate
almadan kullanmak için güçlü olan SNR ile
AP'yi seçer.
Bu yöntem genellikle aktif tarama ile yapılır.
Ör : Şekil 3.
Şekil 3: Aktif tarama ile handoff(el değiştirme)
işlemi
Şekil 4.Önerilen algoritmaların akış şeması
Şekil 4 de önerilen algoritmaların iş
akışları gösterilmektedir. SNR (Signal to
algoritmaları
SNR
dayalı
seçim
algoritmasını değiştirerek oluşturacaktır.
Özellikle, 6a adımını 6b, 6c ve 6d ile
değiştirerek
önerilen
algoritmalar
oluşturacak.
Bu
nedenle,
önerilen
teknikleri mevcut sistemleri ile tam
uyumludur. Maksimum oran ile AP'yi
seçmek yerine önerilen algoritmalar ile
trafik yükü ölçülerek yapılacaktır. Trafik
yükünü ölçmek için iki farklı algoritma
önerilmiştir [5]:PD algoritması ve MPD
algoritması.
C-1 Probe Delay (PD) algoritm (Probe
Gecikme (PD) Algoritma): Bu algoritma ilk
STA prob çerçeveleri kullanarak farklı AP
trafik yükünü tahmin etmeyi sağlamak için
önerilen basit bir algoritmadır. Şekil 5'de
gösterildiği gibi başarılı bir çerçeve iletimi
için beş aşaması vardır. Backoff süresi
kare iletim zamanında kablosuz ortamın
trafik yükünü büyük miktarda etkiliyor. AP
ye daha çok kullanıcı bağlandığında
Çarpışma olasılığı artar ve backoff süresi
çok uzar. Ve bir çerçeve iletimi için geçen
süre çok uzar. Bu gözleme dayanarak
trafik yükünü azaltmak için makul bir
uzunlukta
iletim
süresi
tahmini
yapılmalıdır.
Noise Ratio - Sinyal Gürültü Oranı)
algoritması, kullanılabilir AP’leri bulmak ve
kablosuz bağlantıların kullanılabilirliğini
sağlamak için hala kullanılır. Önerilen [1]
Şekil 5: IEEE 802.11 Çerçeve Aktarımı
C-2 Mean Probe Delay ( MPD ) Algoritma Ortalama Probe Gecikme (MPD) Algoritması:
PD algoritması prob gecikmesinden sadece bir
örnek alarak trafik yükünün ölçümünü yapar.
Biz daha uzun prob gecikmesinin daha ağır bir
trafik yükü oluşturduğunu varsayalım.
Doğruluğunu artırmak için, MPD algoritma
geliştirildi [1]. MPD algoritması, trafik yükünü
daha gerçeğe yakın göstermek için her bir
AP'ye ek prob çerçevesi gönderir. Daha sonra
ortalama
değerin
hesaplanması
için
gecikmeleri ortalamaları alınır. Bu PD
algoritmasının daha hassas olmasını sağlar.
Şekil 6 da STA aktif tarama ile prob çerçeve
gönderimi gösterilmektedir.
Bir STA AP ye prob isteği gönderir
ve prob yanıt gelene kadar geçen süre
alınarak hesaplanarak prob gecikmesi
hesaplanır. Prob gecikme daha sonra AP
trafik yükünü tahmin etmek için kullanılır.
Uzun prob gecikmesi, AP yükünü
ağırlaştırır.
Şek. 6. Ek prob çerçeveleri iletmek için Prosedür
SONUÇ
Bu çalışmada kablosuz ağlarda hızlı ve
enerji verimli homojen el değiştirme
yöntemleri uygulamak için akıllı tarama ile
hızlı el değiştirme, MAC katmanı ile el
değiştirme gecikmesinin azaltılması ve
kablosuz
ağlarda
yük
dengeleme
özelliklerinden yararlanarak bazı teknikler
ve algoritmalar kullanılmıştır. Böylece yeni
kullanılan özellikler ve yöntemlerle özellikle
mobil AP’lerde multimedya ve eşzamanlı
çalışan uygulamaların daha hızlı ve enerji
verimli iletişimi ihtiyacını karşılayacak
düzeye gelmiştir.
KAYNAKLAR
[1] Jyh-Cheng Chen1, Tuan-Che
Chen1, Tao Zhang2, and Eric van den
Berg2 ; Etkili AP Seçimi ve IEEE
802.11 Kablosuz LAN'larda Yük
Dengeleme
[2] M. F. Tuysuz, H. A. Mantar ; IEEE
802.11 WLAN üzerinde Akıllı Tarama
ile Ağ Destekli QoS-Tabanlı Hızlı
Handover
[3] Sangho Shin Andrea G. Forte,
Anshuman Singh Rawat, Henning
Schulzrinne ; IEEE 802.11 Kablosuz
LAN larda MAC Katmanı Handoff
Gecikmesini Azaltma
[4] Gökhan AKIN, Barış ÖZAY, Sınmaz
KETENCİ; Kablosuz Ağlarda Servis
Kalitesi
Download

Kablosuz Ağlarda Hızlı ve Enerji Verimli homojen El