ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Α.Π.Θ.ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ & ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣΜάθημα: Δίκτυα Επικοινωνίας και ΥπολογιστώνΔιδάσκων: Ι. Σάχαλος, Σ. Γούδος

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τονns-2

Σταυρόπουλος Δημήτρης

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Περιεχόμενα:

Εισαγωγή σελ.2Δομή του Δικτύου σελ.4Τυποποίηση σελ.6Αρχιτεκτονική σελ.9WiMax και άλλες τεχνολογίες σελ.14NS-2 (Network Simulator version 2)

σελ.16

Προσομοίωση του WiMax με τον NS-2

σελ.18

Συμπεράσματα σελ.25Παράρτημα σελ.26Αναφορές σελ.30

2

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Εισαγωγή

Οι τεχνολογίες ασύρματης δικτύωσης έχουν αναπτυχθεί εδώ καιπολλά χρόνια, και συνεχώς αναπτύσσονται. Χαρακτηριστικές, και πιοδιαδεδομένες τέτοιες τεχνολογίες είναι το GSM (Global System forMobile communications), το κυψελοειδές δίκτυο που χρησιμοποιείταιαπό την κινητή τηλεφωνία και χρησιμοποιεί ζώνες συχνοτήτων στα900MHz (GSM-900), στα 1800MHz (GSM-1800) και στα 1900MHz(GSM-1900), το Wi - Fi (Wireless Fidelity), που δίνει τη δυνατότηταδημιουργίας ασύρματων τοπικών δικτύων υπολογιστών μικρήςεμβέλειας (~40m για πλήρη εκμετάλλευση των δυνατοτήτων τουδικτύου, μέγιστη εμβέλεια ~100m) και λειτουργεί στη ζώνησυχνοτήτων 2.4GHz και το πιο πρόσφατο Bluetooth που λειτουργεί καιαυτό στα 2.4GHz με παρόμοιες δυνατότητες αλλά για μικρότερηςεμβέλειας δίκτυα (~10m) και με σχεδόν αποκλειστική χρήση σε κινητάτηλέφωνα και άλλες κινητές συσκευές. Η πιο καινούρια τεχνολογίαασύρματης δικτύωσης είναι το WiMax.

Με τον όρο WiMax ονομάζεται η νέα τεχνολογία ασύρματηςδικτύωσης, η οποία μπορεί να θεωρηθεί και ώς απόγονος του Wi-Fi,λόγω παρόμοιων δυνατοτήτων, άν και λειτουργεί πολύ διαφορετικά. Οόρος είναι ακρωνύμιο για τη φράση "Worldwide Interoperability forMicrowave Access" και δόθηκε στην εν λόγω τεχνολογία από το WiMAXForum το 2001.Η τεχνολογία αυτή υλοποιείται με το πρωτόκολλο802.16 το οποίο άρχισε να σχεδιάζεται το 1999 από την IEEE καιολοκληρώθηκε, αρχικά, το 2001. Επίσημα, στην IEEE, η τεχνολογίααυτή ονομάζεται WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Networks -Ασύρματα Μητροπολιτικά Δίκτυα), ενώ το όνομα WiMax είναι τοεμπορικό όνομα της. Το WiMax δίνει δυνατότητα ασύρματης δικτύωσηςεμβέλειας μεγαλύτερης των 40 χιλιομέτρων και παρέχει υπηρεσίεςευρυζωνικής πρόσβασης στο Διαδίκτυο σε τελικούς χρήστες. Οαπαραίτητος εξοπλισμός είναι εύκολος στην εγκατάσταση μιας καιχρειάζεται μία κάρτα δικτύωσης που να υποστηρίζει την τεχνολογία,όπως ισχύει και για το Wi-Fi. Με την κάρτα αυτή θα μπορεί ο χρήστηςνα χρησιμοποιήσει τις ασύρματες υπηρεσίες που του παρέχει ο ISP(Internet Service Provider - Παροχέας Υπηρεσιών Διαδικτύου) πουχρησιμοποιεί.

Σαν τεχνολογία σήμερα (εν έτη 2010) δεν έχει, δυστυχώς,διαδοθεί πάρα πολύ άν και πολλές εταιρίες έχουν επενδύσει στο WiMax.Εκτεταμένη χρήση έγινε το 2004 στην Aceh, περιοχή της Ινδονησίαςπου πλήχθηκε από το τσουνάμι και τις περιοχές που πλήχθηκαν από τον

3

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

τυφώνα Κατρίνα το 2005. Πολλές εταιρίες που κινούνται στο χώρο τωντηλεπικοινωνιών αλλά και στο χώρο των κατασκευών κυκλωμάτωνέχουν δείξει ενδιαφέρον για την εμπορική εκμετάλλευση του WiMax.Μία από τις εταιρίες αυτές είναι η Intel, ο μεγαλύτερος παγκοσμίωςκατασκευαστής chip (βάση οικονομικών στοιχείων), η οποία, σεσυνεργασία με εταιρίες τηλεπικοινωνιών, παρέχει δίκτυα παγκοσμίως,κάποια παραδείγματα των οποίων είναι τα εξής: Στις ΗΠΑ, σεσυνεργασία με την "CLEAR", παρέχει δίκτυα WiMax σε πολλές πόλεις,όπως Atlanta, Chicago, Dallas, Las Vegas, Philadelphia, Portland. Στηβόρια Αφρική συνεργάζεται με την "WBS - iBurst Service", με την "Aria"στην Ιταλία, την "DBD - Deutsche Breitband Dienste GmbH" στηΓερμανία, την "Imag!ne" στην Ιρλανδία και την "Globe Telecom" στιςΦιλιππίνες. Στη χώρα μας τα πρώτα δίκτυα που δημιουργήθηκαν ήτανστο Άγιον Όρος από τον ΟΤΕ το Σεπτέμβρη του 2008 και στο Ηράκλειοτης Κρήτης από το εργαστήριο Ερευνάς και ΑνάπτυξηςΤηλεπικοινωνιακών Συστημάτων (PASIPHAE) τον Οκτώβριο του ίδιουέτους με δοκιμαστική πιλοτική εκπομπή για ερευνητικές-εκπαιδευτικέςδραστηριότητες. Σήμερα λειτουργεί και δίκτυο στην Αττική (κυρίωςστην Αθήνα) από διάφορους παρόχους, όπως ο ΟΤΕ, η Cosmoline και ηQ-Telecom. Όπως φαίνεται, η ανάπτυξη του WiMax είναι πολύπεριορισμένη, παρόλα τα πλεονεκτήματα του και το γεγονός ότι η ΕΕΤΤ(Εθνική Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών και Ταχυδρομείων) έχει χορηγήσειαπό το 2008 άδειες για ανάπτυξη WiMax δικτύων πανελληνίως(πίνακας με τις εταιρίες που έχουν άδεια και την περιοχή που τουςανατέθηκε παρατίθεται στο παράρτημα, στο τέλος της εργασίας(πίνακας Π-1)).

Σαν τεχνολογία υπερέχει των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται,και ενσύρματων και ασύρματων, στα εξής σημεία:

• Λόγω του "ασύρματου" της τεχνολογίας είναι εύκολη καιγρήγορη η εγκατάσταση ενός ολοκληρωμένου δικτύου σεαντίθεση με ένα αντίστοιχο ενσύρματης που χρειάζεταιμήνες ή και χρόνια για να εγκατασταθεί.

• Η ευκολία και η ταχύτητα εγκατάστασης του WiMax δικτύουέπεται και το χαμηλό κόστος, κάτι που δίνει τη δυνατότητασε πολλές εταιρίες που δραστηριοποιούνται στο χώρο τωντηλεπικοινωνιών να αναπτύξουν ένα WiMax δίκτυο,δημιουργώντας έτσι συνθήκες πραγματικού ανταγωνισμούμεταξύ των τηλεπικοινωνιακών εταιριών και των παροχώνυπηρεσιών διαδικτύου.

• Δίνει δυνατότητα συνεχής ευρυζωνικής σύνδεσης σεοποιονδήποτε και οπουδήποτε ακόμα και εν κινήσει μέσα σεμία πόλη ή ακόμα και σε μία χώρα.

4

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

• Παρέχει τη δυνατότητα χρήσης των ευρυζωνικών υπηρεσιώντου παρόχου σε όλα τα σημεία κάλυψης, κάτι που δενυφίσταται με τις ενσύρματες συνδέσεις μιας και άν αλλάξεικάποιος μέρος, ή ακόμα και σπίτι, χρειάζεται ολόκληρηδιαδικασία μεταφοράς της γραμμής ή ακόμα και ανάγκηενεργοποίησης καινούριας σύνδεσης.

Δομή του δικτύου

Η γενική δομή ενός δικτύου WiMax αποτελείται από δύοδιαφορετικές οντότητες. Τους σταθμούς βάσης, οι οποίες είναι οιηλεκτρονικές εγκαταστάσεις εκπομπής και ο πύργος WiMax πάνω στονοποίο βρίσκονται με την κεραία και οι σταθμοί συνδρομητών, ή κοινώςχρήστες του δικτύου οι οποίοι μπορεί να είναι κάποια αυτόνομησυσκευή ή και κάποια κάρτα PCMCIA που βρίσκεται σε ένα laptop ήέναν υπολογιστή. Έτσι λοιπόν για την υλοποίηση ενός τέτοιου δικτύουαρκεί η εγκατάσταση ενός δικτύου σταθμών βάσης από τον πάροχουπηρεσιών και οι χρήστες με κατάλληλο εξοπλισμό μπορούν νασυνδεθούν και να δημιουργηθεί το δίκτυο. Οι σταθμοί βάσηςεπικοινωνούν μεταξύ τους μέσω backhaul συνδέσεων και αποτελούνένα "υπερδίκτυο", το οποίο ανταλλάσει δεδομένα μεταξύ των σταθμώνώστε να είναι δυνατή η μετακίνηση ενός χρήστη από ένα σταθμό σεένα άλλο, όπως γίνεται και στο GSM.

Η επικοινωνία των σταθμών βάσης με τους χρήστες γίνεται μεδύο τύπους σύνδεσης: με οπτική επαφή και χωρίς να υπάρχει οπτικήεπαφή κεραίας χρήστη. Στη δεύτερη περίπτωση η απόδοση είναιμειωμένη λόγω απορρόφησης της ακτινοβολίας, Για το λόγο αυτό, πριντη δημιουργία σύνδεσης πρέπει να είναι γνωστό σε ποιά περίπτωση θαανήκει η σύνδεση, για να γίνει βέλτιστη εκμετάλλευση τωνδυνατοτήτων της σύνδεσης.

Οι ζεύξεις του δικτύου υποστηρίζουν δύο τύπους μετάδοσης: απόσημείο σε σημείο (point - to - point -ptp) και από σημείο σε πολλά σημεία(point - to - multipoint -ptmp). Για την ζεύξη point-to-multipoint χρειάζεταιένα κυψελοειδούς μορφής δίκτυο. Έτσι λοιπόν, η μορφή του δικτύουWiMax θυμίζει πολύ τη μορφή του δικτύου του GSM. Γενικά η

5

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

point-to-point ζεύξης δημιουργούνται μέσω σταθμών βάσης, ενώ οιpoint-to-multipoint από σταθμό βάσης προς τους χρήστες, όπωςφαίνεται στην παρακάτω εικόνα (εικόνα 1):

Εικόνα 1

Στον παρακάτω πίνακα (πίνακας 1), φαίνονται κάποιες θεωρητικέςακτίνες λειτουργία για τους δύο τύπους ζεύξης:

Ρυθμόςμετάδοσης

(Mbps)

Ακτίνα με PTPζεύξη (χλμ)

Ακτίνα μεPTMP ζεύξη

(χλμ)8 50 28

17 45 2433 33 1548 13 4

Πίνακας 1

Τέλος, κάποιες γενικές μορφές ενός δικτύου WiMax, με ταπρωτόκολλα που υποστηρίζουν κάθε μία (στα εν λόγω πρωτόκολλααναφερόμαστε παρακάτω) φαίνονται στην παρακάτω εικόνα (εικόνα 2):

6

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Εικόνα 2

Τυποποίηση

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το πρότυπο με βάση το οποίοσχεδιάστηκε το WiMax είναι το 802.16 που δημιουργήθηκε το 2001 απότην IEEE. Το πρότυπο αυτό σχεδιάστηκε ώστε να λειτουργεί σε μιαευρεία μπάντα συχνοτήτων η οποία εκτείνεται από 2 ως 66 GHz.Υποστηρίζει ταχύτητες μετάδοσης ως και 72 Mbps, στον αέρα, ενώ ηπραγματική ταχύτητα στο Ethernet υπολογίζεται στα 50 Mbps. Οιαποστάσεις που μπορεί να καλυφθούν ξεπερνούν, θεωρητικά, τα 50 Kmσε συνθήκες οπτικής επαφής. Σε συνθήκες μη οπτικής επαφής, λόγωτης απορρόφησης της ακτινοβολίας η απόσταση κάλυψης μειώνεταιόπως και οι ρυθμοί μετάδοσης που γίνονται χαμηλότεροι των 50 Mbps.

Το 802.16 αποτελείται από μία σειρά υποπροτύπων, τα οποίααναπτύχθηκαν σταδιακά ή και αναπτύσσονται ακόμα. Οι κύριεςδιαφορές τους είναι οι συχνοτικές μπάντες που χρησιμοποιούν και οιδυνατότητες που δίνουν στο δίκτυο. Η αρχική έκδοση, 802.16-2001λειτουργούσε στη ζώνη συχνοτήτων 10-66GHz, και για την επικοινωνίαδύο σταθμών ήταν απαραίτητη η οπτική επαφή. Το πρόβλημα της

7

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

οπτικής επαφής κάλυψε το πρότυπο 802.16a (2003) το οποίο ορίζει σανζώνη συχνοτήτων τις συχνότητες 2-11GHz. Στο υποπρότυπο αυτόβασίζονται τα πρότυπα τα οποία χρησιμοποιούνται σήμερα και ήταν τοπρότυπο που χρησιμοποίησαν οι πρώτες εμπορικές εφαρμογές της ενλόγω τεχνολογίας.

Για να ανταπεξέλθει το WiMax στην πολυπλοκότητα τωνεφαρμογών που λειτουργούν πάνω από ένα ασύρματο δίκτυο,δημιουργήθηκε η ανάγκη βελτιστοποίησης της ποιότητας τωνυπηρεσιών (Quality of Service – QoS) και η αναγωγή της σε καθοριστικόπαράγοντα για την μετέπειτα εξέλιξη. Τα παραπάνω οδήγησαν στηδημιουργία του υποπροτύπου 802.16d. Η ένωση των παραπάνωπροτύπων 802.16a και 802.16d που προαναφέρθηκαν, μαζί με το802.16c που δημιουργήθηκε το 2002 και περιέγραφε το σύστημα γιασυχνότητες λειτουργίας 10-66GHz, ορίζουν το πρότυπο 802.16-2004το οποίο περιγράφει τη λειτουργικότητα των παραπάνω υποπροτύπωνσε σύνολο για συχνότητες 2-66GHz. Στο πρότυπο αυτό ορίζεται ηεπικοινωνία των χρηστών οι οποίοι καλύπτονται από τον ίδιο σταθμόβάσης. Όμως, με βάση αυτό το πρότυπο, όταν ένας χρήστης κινηθεί σεπεριοχή εκτός της εμβέλειας του σταθμού βάσης με τον οποίο είναισυνδεδεμένος, η σύνδεση χάνεται και πρέπει να ξαναδημιουργηθεί μεάλλο σταθμό βάσης. Το πρόβλημα αυτό διορθώνεται στο υποπρότυπο802.16e, το οποίο άρχισε στα τέλη του 2002, ολοκληρώθηκε τονΟκτώβριο του 2005 και η αποδοχή του από την IEEE ανακοινώθηκε στις7 Δεκεμβρίου του 2005, και εισάγει την έννοια της "κινητικότητας"των χρηστών από έναν σταθμό βάσης σε άλλο χωρίς ανάγκηδημιουργίας συνδέσεων όταν αλλάζει σταθμό βάσης. Συγκεκριμέναορίζεται η ικανότητα κίνησης του χρήστη χωρίς απώλεια σύνδεσης γιαταχύτητες μέχρι και 120 χλμ/ώρα.

Το πρότυπο 802.16e είχε ώς στόχο να δώσει τη δυνατότητασυνεχούς σύνδεσης σε χρήστες οι οποίοι επιθυμούσαν να χρησιμοποιούνδίκτυο WiMax εν κινήσει και για αρκετά μεγάλες ταχύτητες. Η νέααυτή λειτουργία ονομάστηκε κινητή ευρυζωνική πρόσβαση (MobileBroadband Wireless Access –MBWA) και σκοπός της ήταν να μπορεί ναυποστηρίξει ένα WiMax δίκτυο και κινητούς σταθμούς συνδρομητών. Ηβασική της διαφορά από τη γενική λειτουργία του WiMax είναι ηκινητικότητα που προσφέρει και η μέγιστη ταχύτητα λειτουργίας. Έτσιλοιπόν ορίζονται τέσσερις κατηγορίες:

• Σταθερή (0 χλμ/ώρα),• Πεζού ( >10 χλμ/ώρα)• Κανονική ταχύτητα οχήματος ( >100 χλμ/ώρα) και• Πολύ μεγάλη ταχύτητα ( >500 χλμ/ώρα).

8

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Οι χρήστες με ταχύτητες στις δύο πρώτες κατηγορίες δενεμπίπτουν στις περιπτώσεις της MBWA. Οι δύο τελευταίες κατηγορίεςείναι που αναφέρονται στο 802.16e. Το πρότυπο αυτό ορίζει σαν νόμιμοφάσμα συχνοτήτων κάτω των 3.5GHz. Λόγω της μετακίνησης τουχρήστη από ένα σταθμό σε ένα άλλο χρειάζεται τα συστήματα να είναιαξιόπιστα στις γρήγορες αλλαγές που θα συμβαίνουν στα κανάλιαμετάδοσης και ιδιαίτερα σε επίπεδο IP λόγω συνεχών αλλαγών τωνδιαδρομών των πακέτων. Για να επιτευχθεί αυτό έγιναν κάποιεςαλλαγές στο MAC και στο Φυσικό επίπεδο, τα οποία ενισχύθηκαν, καιμειώθηκε η κατανάλωση ενέργειας των συστημάτων.

Γενικά, οι σημαντικές βελτιώσεις του 802.16e-2005 έναντι τουπροηγούμενου 802.16-2004 συνοψίζονται στα παρακάτω:

• Προσθέτει τη λειτουργία MBWA και θέτει τις βάσεις για τοMobile WiMax.

• Βελτιώνει την κάλυψη χρησιμοποιώντας εξελιγμένες κεραίες,τοποθετημένες σε ποικίλους συνδυασμούς και εισάγεισυστήματα κεραιών πολλαπλής εισόδου και πολλαπλήςεξόδου (Multiple Input Multiple Output - MIMO).

• Βελτιώνει την ικανότητα του να διεισδύει καλύτερα σεεσωτερικούς χώρους.

• Χρησιμοποιεί νέες τεχνολογίες κωδικοποίησης όπως TurboCoding και Low-Density Parity Check (LDPC), αυξάνοντας έτσιτην ασφάλεια.

• Χωρίζει το κανάλι "κατερχόμενης μετάδοσης" (downlink) σεπερισσότερα υποκανάλια, κάτι που δίνει τη δυνατότηταστους διαχειριστές να εναλλάσσουν την κάλυψη για τηχωρητικότητα του δικτύου ή κάποιου σταθμού βάσης, ή καιτο αντίστροφο, ανάλογα με τη χρήση του δικτύου.

• Αυξάνει τη ποιότητα των υπηρεσιών καθιστώντας το WiMaxσε κατάλληλο για εφαρμογές VoIP (Voice over IP).

• Αλλάζει το σύστημα FFT (Fast Fourier transform ) του εύρουςζώνης των καναλιών σε διαβαθμισμένο ώστε να διατηρείταισταθερό το επίπεδο μεταφοράς δια μέσου καναλιώνδιαφορετικού εύρους.(1.25 -20 MHz). Η μέθοδος αυτή, ηοποία διατηρεί σταθερό το εύρος του φέροντος οδηγεί σεμεγαλύτερη φασματική απόδοση στα κανάλια με μεγάλοεύρος και μείωση του κόστους στα μικρότερου. Η μέθοδοςαυτή είναι γνωστή ώς κλιμακωτό OFDMA (SOFDMA). Ο νέοςαλγόριθμος FFT επιτρέπει μεγαλύτερες καθυστερήσεις στημεταφορά δεδομένων κι έτσι είναι περισσότερο ανθεκτικό σε

9

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

παρεμβολές πολλών διαφορετικών μονοπατιών στη μεταφοράδεδομένων.

Τα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι το802.16.2-2004 (που είναι το 802.16-2004 με μία παραλλαγή του802.16a, το P802.16a, όπου συνυπάρχουν τα εύρη συχνοτήτων 2-11GHzκαι 23.5-43.5GHz), το 802.16k-2007 (μία τροποποίηση του 802.16d), το802.16-2009 (μία συγχώνευση των 802.16-2004, 802.16-2004/Cor 1,802.16e, 802.16f, 802.16g και P802.16i) και το 802.16j-2009. (Ταπρωτόκολλα και υποπρωτόκολλα 802.16 παρατίθενται στον πίνακα Π-2στο παράρτημα στο τέλος της εργασίας με σύντομη περιγραφή τωνεπιμέρους δυνατοτήτων ή των αλλαγών που επέφεραν. Περαιτέρωανάλυση των εν λόγω πρωτοκόλλων ξεφεύγει από το σκοπό τηςπαρούσας εργασίας, οπότε παραλείπεται.)

Αρχιτεκτονική

Η αρχιτεκτονική των συστημάτων που είναι συμβατά με το WiMaxορίζεται στο πρωτόκολλο 802.16. Η περιγραφή επικεντρώνεται στα δύοχαμηλότερα (με βάση το μοντέλο OSI - OSI model ), το Φυσικό επίπεδο(Physical Layer ) και ένα υποεπίπεδο του επιπέδου ζεύξης δεδομένων(Data Link Layer ) το υποεπίπεδο MAC (Media Access Control - ΈλεγχοςΠρόσβασης Μέσου). Συγκριτικά με τα αντίστοιχα στρώματα του Wi-Fi,παρόλο που είναι παρόμοια σε λογική, οι διαφορές είναι σημαντικές.Κύριος στόχος τους είναι να εξαλείψουν τις ελλείψεις του Wi-Fi και ναεπιτευχθεί η Ευρυζωνικότητα της ασύρματης σύνδεσης. Το κύριο κοινόσημείο και των δύο είναι η διαμόρφωση, η οποία είναι η OFDM, η οποίαθεωρείται ώς η πλέον κατάλληλη για υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης σεδίκτυα που δεν υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ χρήστη και κεραίας.Παρόλη την ίδια τεχνική διαμόρφωσης όμως, οι διάφοροι παράμετροιπου σχετίζονται με το φυσικό επίπεδο, όπως οι υποφέρουσες, ταφέροντα, οι ζώνες προστασίας, και άλλα, διαφέρουν στις δύοτεχνολογίες, λόγω διαφορετικής απαίτησης δυνατοτήτων καιδιαφορετικών περιβάλλοντων χρήσης.

Το φυσικό επίπεδο κατά το μοντέλο OSI είναι το κατώτεροεπίπεδο, από το οποίο τα δεδομένα εισέρχονται στο φυσικό μέσο

10

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

(κανάλι επικοινωνίας) σαν δυαδικά ψηφία. Το επίπεδο αυτό καθορίζει ταbit. Ποιά τάση θα θεωρείται “1” και ποιά “0”, πόσο χρόνο θα κρατάειένα bit, πότε θα στέλνει και πότε θα δέχεται και γενικότερα τιςλεπτομέρειες του φυσικού μέσου που βρίσκεται από κάτω του. Οπότε,όπως είναι φυσικό, για ένα σύστημα που προορίζεται για ασύρματημετάδοση δεδομένων, στο επίπεδο αυτό θα ορίζεται το εύρος ζώνης, ητεχνική πολλαπλής πρόσβασης και γενικότερα τα χαρακτηριστικά τουσήματος που θα εκπέμπεται.

Όπως προαναφέρθηκε, το αρχικό πρωτόκολλο όριζε εύροςσυχνοτήτων 10-66 GHz, το οποίο όμως τροποποιήθηκε από τιςμετέπειτα εκδόσεις και παραλλαγές του. Σήμερα, το εύρος ζώνης πουχρησιμοποιείται ποικίλει από 2 μέχρι 66 GHz, ανάλογα με τοπρωτόκολλο με βάσει το οποίο κατασκευάζεται κάθε σύστημα. Ηδιαμόρφωση η οποία ορίζεται είναι η OFDMA, και με το πρωτόκολλο802.16e-2005 η SOFDMA. Ένας από τους κύριους λόγους επιλογής τηςδιαμόρφωσης αυτής είναι η μεγάλη αντοχή που έχει σε περιβάλλονταμεγάλης εξασθένησης σήματος και παρεμβολών.

Η τεχνική μετάδοσης OFDMA βασίζεται στην OFDM (orthogonalfrequency - division multiplexing ), η οποία είναι μία τεχνική πολλαπλήςπρόσβασης με διαίρεση συχνότητας. Με την τεχνική αυτή γίνεταιψηφιακή διαμόρφωση πολλαπλών φερουσών (multicarrier modulation),και βασίζεται στην ιδέα της διαίρεσης ενός υψηλού ρυθμού μετάδοσηςbits σε μικρότερους ρυθμούς ώστε να μπορεί να διαμορφώνει πολλάξεχωριστά φέροντα. Με την τεχνική αυτή επιτυγχάνεται ο περιορισμόςτης διασυμβολικής παρεμβολής (intersymbol interference ), μιας καιμεγαλώνει η διάρκεια κάθε συμβόλου, ενώ διατηρούνται σταθερέςτυχόν καθυστερήσεις που προκαλούνται από το κανάλι διάδοσης,μεγαλώνοντας έτσι το λόγο διάρκειας συμβόλου προς τηνκαθυστέρηση. Γενικά, η τεχνική OFDM, διαιρεί τη διαθέσιμη μπάντασυχνοτήτων σε Ν μη επικαλυπτόμενα υποκανάλια συχνοτήτων, κάθετέτοιο κανάλι διαμορφώνεται από διαφορετικό σύμβολο και τέλος τα Νυποκανάλια πολυπλέκονται στο πεδίο των συχνοτήτων και δημιουργούντο σήμα. Στα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται σήμερα, το Ν μπορείνα πάρει μέγιστη τιμή 2048. Τα κύρια πλεονεκτήματα της τεχνικήςαυτής είναι:

• Λόγω δυνατότητας υλοποίησής της χρησιμοποιώνταςαλγορίθμους για μετασχηματισμό Fourier (Fast Fourier

11

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

transform) έχει μικρή πολυπλοκότητα υπολογισμών καιμπορεί εύκολα να υλοποιηθεί.

• Λόγω της περιορισμένης διασυμβολικής παρεμβολής έχειμικρή υποβάθμιση απόδοσης σε περιβάλλοντα ή με συνθήκεςέντονης καθυστέρησης.

• Είναι μία τεχνική πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεσησυχνότητας, κάτι που παρέχει εύκολη κωδικοποίηση καιπολύπλεξη των υποφορέων, δίνοντας παράλληλα τηδυνατότητα σε μία κεραία να "μοιράζει" τους υποφορείς σεδιάφορους χρήστες.

Όπως προαναφέρθηκε, η τεχνική SOFDMA εισήχθη με τοπρωτόκολλο 802.16e-2005, ενώ πριν γινόταν χρήση της OFDMA256(802.16d). Οι διαμορφώσεις αυτές δεν είναι συμβατές και έτσι όλος οεξοπλισμός θα πρέπει να αλλάζει όταν ένας χειριστής θέλει να κάνειχρήση το παλιότερο πρωτόκολλο. Υπάρχουν όμως συστήματα πουυποστηρίζουν και τις δύο διαμορφώσεις, οπότε μειώνονται οιεπιπτώσεις στους χρήστες για τη χρήση των δικτύων ή στις εταιρίεςπου δημιούργησαν δίκτυο βάση ενός εκ των δύο πρωτοκόλλων.

Σε επίπεδο διαμόρφωσης φέροντος, το WiMax κάνει χρήσηπροσαρμοστικής διαμόρφωσης. Μπορεί δηλαδή και αλλάζει τηνψηφιακή διαμόρφωση που χρησιμοποιεί ανάλογα με το δείκτη SNR τηςσύνδεσης. Με τον τρόπο αυτό παρέχει σε κάθε περίπτωση το μέγιστοδυνατό ρυθμό μετάδοσης. Οι διαμορφώσεις που χρησιμοποιούνταιανάλογα με την περίπτωση είναι: BPSK, QPSK, 16QAM και 64QAM.

Ένα ακόμα σημαντικό χαρακτηριστικό του επιπέδου αυτού είναι ηχρήση κωδικών διόρθωσης σφαλμάτων (Forward Error Correction -FEC)και η χρήση αλγορίθμων ανίχνευσης και διόρθωσης σφαλμάτων (CyclicRedundancy Check - CRC) που προσδίδει ασφάλεια στην αποστολή καιλήψη ψηφιακών δεδομένων.

Οι τελευταίες εκδόσεις των πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνταιέχουν υποστήριξη πολλαπλών κεραιών μέσω του συστήματοςπολλαπλών εισόδων-πολλαπλών εξόδων (multiple - input and multiple - output – ΜΙΜΟ) και στον πομπό και στο δέκτη. Η υποστήριξητου συστήματος αυτού κάνει δυνατή τη λειτουργία multipoint-to-pointκαι την κινητικότητα του χρήστη (MBWA).

Τέλος, ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του επιπέδου αυτού είναι ηδιανομή χωρητικότητας για ανερχόμενη και κατερχόμενη μετάδοση

12

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

(uplink και downlink). Το φυσικό επίπεδο του WiMax υποστηρίζειδιαφορετική δομή για τα point-to-multipoint κανάλια downlink καιmultipoint-to-point κανάλια uplink. Έτσι γίνεται αποδοτικότερη χρήσητων πόρων του δικτύου, μιας και υπάρχουν διαφορετικές απαιτήσειςστις δύο κατευθύνσεις. Χαρακτηριστικό παράδειγμα χρήση τέτοιαςτεχνικής είναι η ασύμμετρη DSL (ADSL).

Επίπεδο 2 – Διασύνδεσης δεδομένων : Το επίπεδοδιασύνδεσης δεδομένων παρέχει τα λειτουργικά και διαδικαστικά μέσαγια την μεταφορά δεδομένων από την μια συσκευή του δικτύου στηνάλλη, και για τον έλεγχο και την πιθανή διόρθωση σφαλμάτων πουσυμβαίνουν στο φυσικό επίπεδο. Το υποεπίπεδο του MAC πουπεριγράφεται από τα WiMax πρωτόκολλα παρέχει μηχανισμούςδιευθυνσιοδότησης και πρόσβασης καναλιού, δίνοντας τη δυνατότητασε πολλά τερματικά ή στοιχεία δικτύου, στην περίπτωσή μας χρήστες,να επικοινωνούν μέσω ενός ασύρματου σημείου πρόσβασης (wirelessaccess point ), κάνοντας δυνατή τη δημιουργία μητροπολιτικώνδικτύων. Στο 802.16 MAC περιγράφεται ένας αριθμός τριώνυποεπιπέδων. Κάθε υποεπίπεδο έχει και διαφορετικό ρόλο. Γενικά,ορίζεται ο τρόπος που, ενσύρματες τεχνολογίες, όπως το Ethernet, τοATM και το IP εκπέμπονται μέσω της ασύρματου διασύνδεσης πουχρησιμοποιεί. Ακόμα περιγράφει πώς γίνεται η ασφαλής επικοινωνία,χρησιμοποιώντας ανταλλαγή "ασφαλών κλειδιών" για πιστοποίησηχρηστών και κρυπτογράφηση χρησιμοποιώντας μηχανισμούςκρυπτογράφησης AES ή DES, κατά τη διάρκεια μεταφοράς δεδομένων.Τέλος, περιέχει μηχανισμούς μείωσης κατανάλωσης ενέργειας καθώςκαι μηχανισμούς hand-off ή hand-over, οι οποίοι επιτρέπουν τηδιατήρηση της σύνδεσης με τη μετακίνηση από ένα σταθμό βάσης σεένα άλλο. Επειδή το μέσο μετάδοσης είναι ο αέρας, το MAC επίπεδοκαλείται να ρυθμίσει τους πόρους της σύνδεσης με τον αποδοτικότεροτρόπο. Ο τρόπος σύνδεσης είναι connection - oriented , δηλαδή ημεταφορά δεδομένων γίνεται μέσω σύνδεσης, η οποία οριοθετείται απόένα σήμα έναρξης και ένα σήμα τέλους ή διακοπής. Στην είσοδο τουκάθε χρήστη στο δίκτυο, ο χρήστης δημιουργεί μία ή και παραπάνωσυνδέσεις, μέσω των οποίων γίνεται η μεταφορά δεδομένων. Ότανδημιουργείται μία τέτοια σύνδεση "συμφωνούν" σε ένα συγκεκριμένομοτίβο κίνησης για τη σύνδεση αυτή. Σε περίπτωση χρήσης που να

13

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

υπακούει στην παραπάνω συμφωνία, το δίκτυο μπορεί να εγγυηθεί μίαικανοποιητική QoS. Το παραπάνω χαρακτηριστικό είναι πολύ σημαντικόγια τις εφαρμογές που απαιτούν μετάδοση δεδομένων πραγματικούχρόνου. Τα τρία υποεπίπεδα στα οποία αναφερθήκαμε παραπάνω είναιτα εξής:

Υποεπίπεδο σύγκλισης (CS): Το υποεπίπεδο αυτό μετασχηματίζει τα δεδομένα πουλαμβάνει από το επίπεδο δικτύου σε πακέτα δεδομένων τύπου υπηρεσίας MAC (MACService Data Unit-MSDU), τα οποία στη συνέχεια προωθεί στο επόμενο υποεπίπεδο, τουποεπίπεδο κοινό τμήμα (CPS). Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει αρχικά ταξινόμησητων πακέτων από το επίπεδο δικτύου με βάσει κάποιες παραμέτρους ανάλογα με τηνυπηρεσία του CPS στην οποία απευθύνεται και εν συνεχεία με μία ταυτότητα σύνδεσης(CID) ώστε να οριστεί μονοσήμαντα η σύνδεση. Όπως λοιπόν γίνεται φανερό, στουποεπίπεδο αυτό εμπεριέχονται πολλά διαφορετικά πρωτόκολλα και αποτελεί στην ουσίαμία διεπαφή (interface) μεταξύ του φυσικού επιπέδου και του υπόλοιπου συστήματος.

Υποεπίπεδο Κοινό τμήμα ( CPS ) : Το υποεπίπεδο αυτό, στοσταθμό βάσης, αναλαμβάνει το έργο της διαχείρισης του καναλιού. Ηαποστολή δεδομένων από ένα σταθμό βάσης γίνεται με λογικήpoint-to-multipoint, λειτουργώντας με έναν κεντρικό σταθμό βάσης καιμία κεραία πολλαπλών τομέων. Για μία συγκεκριμένη συχνότητα καιένα συγκεκριμένο τομέα, όλοι οι χρήστες λαμβάνουν τα ίδια δεδομένα.Για το λόγο αυτό, ένας σταθμός βάσης αποθηκεύει τις διευθύνσεις τωνχρηστών του τομέα για μελλοντική χρήση. Τα παραπάνω ισχύουν μόνογια το CPS των σταθμών βάσης. Σε γενική μορφή, υποστηρίζει κάποιεςλειτουργίες, για τις οποίες περιέχει τα απαραίτητα πρωτόκολλα και οισημαντικότερες των οποίων είναι:

• ο έλεγχος της ποιότητας υπηρεσίας της σύνδεσης, • η σύνθεση ή αποσύνθεση των MAC πακέτων δεδομένων

καθώς και • ο τεμαχισμός της πληροφορίας σε κομμάτια που να έχουν το

μέγεθος των MAC πακέτων ή η ένωση από πολλά πακέτα τηςλαμβανόμενης πληροφορίας και

• η λειτουργία αίτησης επανάληψης της αποστολής κάποιωνδεδομένων που χάθηκαν (Automatic Repeat Query – ARQ)

Υποεπίπεδο ασφαλείας ( CPS ) : Το υποεπίπεδο αυτό παρέχειασφαλείς συνδέσεις στους χρήστες του WiMax με δύο κύριουςμηχανισμούς. Ο ένας είναι η κρυπτογράφηση των δεδομένων που

14

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

μεταδίδονται, με μηχανισμούς AES, DEC και triple DEC, και ο άλλοςείναι η χρήση ενός κλειδιού πιστοποίησης για την πραγματοποίηση τηςσύνδεσης.

Τα παραπάνω φαίνονται στην παρακάτω εικόνα (εικόνα 3):

Εικόνα 3

Το επίπεδο MAC λοιπόν, όπως προαναφέραμε είναι υπεύθυνο για τησύνδεση του χρήστη με το δίκτυο. Για την επίτευξη της σύνδεσηςαυτής, το επίπεδο MAC έχει μία 48-bit διεύθυνση η οποία ορίζεται απότην εταιρία κατασκευής του εκάστου συστήματος και είναι μοναδικήγια κάθε ένα. Η διεύθυνση αυτή αποθηκεύεται από το σταθμό βάσηςκατά την εγγραφή κάθε χρήστη στο δίκτυο και χρησιμοποιείται για τηνδιαδικασία επικύρωσης ή αλλιώς της αμφίδρομης πιστοποίησης μεταξύτου σταθμού βάσης και του χρήστη. Η σύνδεση μεταξύ του χρήστη καιτου σταθμού βάσης τυποποιείται με τη βοήθεια μίας 16-bit λέξης πουείναι η "ταυτότητα" του χρήστη (caller ID-CID) και είναι ο κωδικόςκάθε σύνδεσης. Κατά τη δημιουργία σύνδεσης αρχικοποιούνται τρείςσυνδέσεις για κάθε κατεύθυνση. Η πρώτη χρησιμοποιείται για τημετάδοση μικρών σε μέγεθος μηνυμάτων, τα οποία χαρακτηρίζονταιώς επείγοντα. Η σύνδεση αυτή ονομάζεται βασική. Από τις άλλες δύο, ημία ονομάζεται πρωτεύουσα και η άλλη δευτερεύουσα. Από τις δύοαυτές συνδέσεις μεταφέρονται μεγάλα πακέτα, όχι και τόσο επείγοντα.Μέσω της πρωτεύουσας μεταφέρονται εκείνα που δεν είναι τόσοεπείγοντα, από άποψη χρόνου, ενώ μέσω της δευτερεύουσας εκείνα πουδεν επηρεάζονται πολύ από το χρόνο. Οπότε, για σηματοδότηση τηςσύνδεσης (δημιουργία, διακοπή ή άλλες πληροφορίες) θαχρησιμοποιηθεί η βασική σύνδεση, για υπηρεσίες VoIP η πρωτεύουσαενώ για FTP, η δευτερεύουσα.

15

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

WiMax και άλλες τεχνολογίες

Η βιομηχανία ηλεκτρονικών και τηλεπικοινωνιών της ΝότιαςΚορέας κάτω από την ηγεσία της Samsung Electronics και ETRI έχειαναπτύξει ένα δικό της πρωτόκολλο το WiBro. Στο τέλος του 2004 ηIntel και η LG Electronics συμφώνησαν πως τα πρωτόκολλα WiBro καιWiMAX ήταν παρόμοια.

Το WiBro υποστηρίζεται από την κυβέρνηση της Νότιας Κορέας μετην απαίτηση να δαπανά για κάθε φορέα πάνω από 1.000.000$ για τηνανάπτυξη του. Η Κορέα προσπάθησε να εξελίξει το WiBro σε τοπική καιενδεχομένως και εθνική εναλλακτική επιλογή κυψελωτών συστημάτων3ης και 4ης γενιάς. Αλλά το WiBro "συναντήθηκε" με το WiMAX καιεναρμονίστηκε με το 802.16e πρωτόκολλο. Αυτό που κάνει το WiBro ναξεχωρίσει είναι ότι, είναι μια κινητή τεχνολογία, πολύ καλά μελετημένηγια ασύρματες υπηρεσίες, και το γεγονός ότι η ανάπτυξη του έγινε σεένα περιβάλλον ευρυζωνικότητας που είναι σύνθετο και ίσως, σεκάποιο βαθμό, κορεσμένο. Έτσι το WiBrο έχει να αντιμετωπίσει τονανταγωνισμό τεχνολογιών, όπως το 3G (κυψελωτό δίκτυο) και οι,υψηλής ευρυζωνικότητας, καλωδιακές τεχνολογίες. Όμως, η ανάπτυξήτου θα ενισχύσει τις επαρχιακές αγορές που πάσχουν από μηανεπτυγμένες ασύρματες ευρυζωνικές τεχνολογίες, και γενικότεραδύσβατες περιοχές ή και περιοχές όπου δύσκολα μπορεί να στηθεί έναενσύρματο δίκτυο (το οποίο προαναφέρθηκε ώς πλεονέκτημα τοWiMax. Σήμερα οι δύο αυτές τεχνολογίες θεωρούνται "αδερφέςτεχνολογίες" και σε μερικές περιπτώσεις σχεδόν ταυτίζονται.

Οι δύο αυτές τεχνολογίες έχουν να αντιμετωπίσουν τονανταγωνισμό ήδη εμπορικά ανεπτυγμένων τεχνολογιών, όπως είναι τοUMTS και το CDMA 2000, καθώς και το HiperMAN. Και τα δύο από τακύρια 3G συστήματα, CDMA 2000 και UMTS, ανταγωνίζονται με τοWiMax. Είναι ικανά να προσφέρουν DSL-κλάσης διαδικτυακή πρόσβασηκαι παράλληλα τηλεφωνικές υπηρεσίες. Μάλιστα το UMTS προκειμένουνα συναγωνιστεί την επικείμενη τεχνολογία του WiMax αναβαθμίστηκεάμεσα και φέρει την ονομασία UMTS-TDD. Χρησιμοποιεί το ίδιοbandwidth με το WiMax και επιπλέον, λόγω της μακροχρόνιαςπαρουσίας του, έχει το πλεονέκτημα της αξιοπιστίας από τουςχρήστες, λόγω της εμπειρίας από τη χρήση του, κάτι το οποίο δεν έχειτο WiMax. Οι 3G τεχνολογίες κινητής τηλεφωνίας, ακόμα,πλεονεκτούν, λόγω της υπάρχουσας υποδομής, διότι αναβαθμίζονται μεβάση τις παλιότερες τεχνολογίες. Δηλαδή οι χρήστες, άν βρίσκονταιεκτός εμβέλειας των καινούριων εξοπλισμών, μπορούν να

16

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

χρησιμοποιήσουν τεχνολογίες προηγούμενης γενιάς. Οι εν λόγωτεχνολογίες εξελίσσονται ώς εξής:

• GSM/UMTS: για να εξελιχθεί σε τεχνολογία 4ης γενιάςδημιουργήθηκε μία συνεργασία εταιριών τηλεπικοινωνιών, το

3 GPP , ώστε να δοθούν οι προδιαγραφές της εξέλιξηςτης

• CDMA 2000: δημιουργήθηκε η συνεργασία 3 GPP 2 , παρόμοιαμε την 3GPP, η οποία το εξέλιξε στο Ultra Mobile Broadband .Αυτό θα έχει ώς αποτέλεσμα η διαδικτυακή ταχύτητα νασυγκρίνεται και να ξεπερνά ορισμένες φορές αυτή τουWiMax.

Σχηματικά, οι παραπάνω τεχνολογίες τις οποίες ανταγωνίζεται τοWiMax φαίνονται στο παρακάτω σχήμα, όπου όμως φαίνεται ότι τοWiMax υπερέχει (εικόνα 4).

Εικόνα 4

Μία καινούρια τεχνολογία που αναπτύσσεται είναι η ΚινητήΕυρυζωνική Ασύρματη Πρόσβαση (Mobile Broadband Wireless Access –MBWA) η οποία αναπτύσσεται με βάση το πρωτόκολλο IEEE 802.20,που θεωρείται απόγονος του 802.16. Η τεχνολογία αυτή λόγω τηςευρεία κάλυψης που πρόκειται να έχει, θεωρείται ώς το τελευταίοσκαλοπάτι για την πραγματοποίηση του παγκόσμιου δικτύου GAN(Global Area Network ). Το δίκτυο αυτό θα λειτουργεί παρόμοια με τασημερινά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, όπου όμως οι χρήστες του θα

17

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

έχουν τη δυνατότητα να ταξιδεύουν ανά τον κόσμο και ναεξακολουθούν να έχουν πρόσβαση στο δίκτυο συνεχώς, έναπλεονέκτημα που θα έχει μία παγκόσμια χρήση του WiMax. Το δίκτυο θαπαρέχει Ευρυζωνικότητα, για να προσφέρει Διαδικτυακή πρόσβαση,συγκρίσιμη με αυτή των υπάρχοντων καλωδιακών δικτύων πουχρησιμοποιούν modem, και θα μπορούν να έχουν πρόσβαση τα κινητάτηλέφωνα, τα laptops και κινητές συσκευές επόμενης γενιάς.

Στο παράρτημα στο τέλος της παρούσας εργασίας, υπάρχει έναςπίνακας (πίνακας Π-3) με τα κύρια χαρακτηριστικά διαφόρωνασύρματων τεχνολογιών ώστε να μπορεί να γίνει εύκολα μία πρώτησύγκριση μεταξύ τους. Οι ταχύτητες που αναφέρονται είναι οι μέγιστεςταχύτητες οι οποίες μπορούν να επιτευχθούν σε ιδανικές συνθήκες.Οπότε, σε κάποιες περιπτώσεις π.χ. περιβάλλον με πολλές αποσβέσεις ήμικρή πυκνότητα κεραιών, οι ταχύτητες αυτές θα αποκλίνουν από τιςπραγματικές.

NS -2 ( Network Simulator version 2)

Ο ns -2 είναι η δεύτερη έκδοση του Network Simulator ο οποίοςείναι ένας προσομοιωτής δικτύων που αναπτύχθηκε από την εταιρίαCLERA το 1989. Τα επόμενα χρόνια η προσπάθεια αυτή υποστηρίχθηκεαπό διάφορους οργανισμούς οδηγώντας στη δημιουργία του ns-2. Οns-2 είναι κατοχυρωμένος στη δεύτερη έκδοση του GNU General Public License. Είναι ένα αξιόπιστο πρόγραμμα ανοικτού κώδικα το οποίο"τρέχει" σε περιβάλλον Unix. Είναι δοκιμασμένο από την επιστημονικήκοινότητα και, ώς πρόγραμμα ανοιχτού κώδικα, είναι πλήρωςπροσαρμόσιμο στις απαιτήσεις του χρήστη. Είναι προσομοιωτήςπροσανατολισμένος σε διακριτά γεγονότα (Discrete event simulation ),που σημαίνει ότι το σύστημα αναπαρίσταται από μία διαδοχήδιακριτών γεγονότων, τα οποία λαμβάνουν χώρα σε συγκεκριμένεςχρονικές στιγμές και προκαλούν κάποια μεταβολή στο σύστημα.Διαθέτει πολλά πρωτόκολλα, όπως π.χ. TCP, UDP, FTP,HTTP, routingprotocols και multicast protocols, παρέχοντας παράλληλα και τηδυνατότητα εισαγωγής νέων. Μπορεί να προσομοιώσει και ασύρματακαι ενσύρματα δίκτυα.

Ο προσομοιωτής ns-2, χρησιμοποιεί τη γλώσσα προγραμματισμούC++ και έχει διερμηνέα OTcl (Object Tool Command Language).

18

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Αποτελείται από κάποια επιμέρους κομμάτια, τα οποία φαίνονται στηνπαρακάτω εικόνα (εικόνα 5), τα οποία χρησιμεύουν στη "γραφεί" τουκώδικα του δικτύου προς προσομοίωση και στη γραφική τουαναπαράσταση (nam). Τέλος, υπάρχει η δυνατότητα εξαγωγήςαποτελεσμάτων για τη συμπεριφορά του δικτύου με χρήση διάφορωνπρογραμμάτων. Χαρακτηριστικότερο και πιο συχνά χρησιμοποιούμενοείναι το xgraph.

Γενικά, για να γίνει η προσομοίωση ενός δικτύου με τον ns-2, οχρήστης, με χρήση της γλώσσας προγραμματισμού OTcL ή C++ (όπωςπροαναφέρθηκε υπάρχει διερμηνέας OTcL, οπότε με δημιουργία κώδικασε C++ μπορεί να δημιουργηθεί ο κώδικας στην OTcL), περιγράφει ταεπιμέρους στοιχεία του δικτύου (το MAC επίπεδο καθενός) και τιςδιεργασίες που μπορούν να λάβουν χώρα, ή αλλιώς, τα πρωτόκολλαπου θα χρησιμοποιήσει. Έτσι λοιπόν φτιάχνει μία εικόνα του δικτύου καιορίζοντας τα γεγονότα της λειτουργίας του, μπορεί να προσομοιώσειτο δίκτυο και να εξάγει χρήσιμα συμπεράσματα όσον αφορά τηλειτουργία του.

Εικόνα 5

19

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Π ροσομοίωση του WiMax με τον NS -2

Η προσομοίωση του δικτύου WiMax που περιγράφεται παρακάτωέγινε με χρήση της έκδοσης 2.29 του ns-2. Το μοντέλο πουαναπτύχθηκε είναι σύμφωνο με το πρωτόκολλο 802.16-2004. Τα επίμέρους κομμάτια σχεδιάστηκαν με χρήση της γλώσσαςπρογραμματισμού C++ και μοντελοποιήθηκαν σε διάφορες κλάσεις.Είναι μία προσομοίωση που παρουσιάζεται σε μία εργασία των FrankChee-Da Tsai, Jenhui Cheny, Chiang-Wei Chang, Wei-Jen Lien, Chih-HsinHung, and Jui-Hsiang Sum του πανεπιστημίου Chang Gung, Kweishan,Taoyuan, Taiwan. Για να μπορέσει να σχεδιαστεί ένα μοντέλο ενόςδικτύου σύμφωνα με κάποιο πρωτόκολλο, πρέπει να περιγραφούν οισυσκευές του δικτύου με βάση το πρωτόκολλο αυτό. Οπότε, για τομοντέλο του WiMax, σε κάθε επιμέρους κομμάτι περιγράφεται το MACκαι το Φυσικό επίπεδο, μιας και αυτά είναι που "βλέπει" το δίκτυο,χωρίς να έχουν σημασία τα ανώτερα επίπεδα. Η σχέση μεταξύ των ήδηυπάρχοντων μοντέλων στον ns-2 και του μοντέλου του WiMax πουσχεδιάστηκε φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (εικόνα 6). Η εικόνα αυτήδιευκρινίζει τους τύπους αντικειμένων για τον agent γεννήτορα τηςκίνησης δεδομένων (traffic generating agent-TGA), το επίπεδο σύνδεσης(link layer-LL), τη σειρά διασύνδεσης (interface queue-IFQ), τοσχεδιασμένο MAC επίπεδο με βάση το WiMax και το φυσικό επίπεδο(PHYlayer (Channel)).

20

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Εικόνα 6

Αρχικά, το TGA θεωρείται απλώς ότι προκαλεί ανταλλαγήδεδομένων επιπέδου εφαρμογών, όπως VoIP, MPEG, FTP, HTTP και άλλα.Αυτές οι ανταλλαγές δεδομένων διαχωρίζονται σε πέντε διαφορετικούςτύπους υπηρεσιών (όπως ορίζεται στο πρωτόκολλο 802.16e):

• UGS (unsolicited grant service)

• rtPS (real-time polling service)

• ertPS (extended real-time polling service)

• nrtPS (non-real-time polling service)

• BE (Best effort)

που κάθε τύπος έχει διαφορετική βαρύτητα, όσον αφορά τηνπροτεραιότητα κάθε διαδικασίας μέσα στο δίκτυο (η περιγραφή τουκάθε τύπου, με βάση το 802.16 φαίνεται στον πίνακα Π-4, στοΠαράρτημα, στο τέλος της εργασίας). Όλα τα πακέτα δρομολογούνταιμε διαφορετική προτεραιότητα στη σειρά ανάλογα με τον τύπο στονοποίο ανήκουν, μέσω του CS υποεπιπέδου και χρησιμοποιώντας το

21

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

μηχανισμό χαρτογράφησης CID. Τα πακέτα αυτά, στις σειρές πουτοποθετούνται, τα μεταχειρίζονται ώς MSDUs και επιλέγονται προςπροώθηση στο WiMax μοντέλο ανάλογα με την "υπογραφή" που έχουν.Οι SS (σταθμοί βάσης λαμβάνουν τα MSDUs από τη σειρά και τοκομμάτι που διαχειρίζεται το MAC επίπεδο αρχίζει τη διαδικασίαεισαγωγής του πακέτου στο σύστημα ή αποστολής του με βάση τοχρονοδιάγραμμα που ορίζεται από τον χάρτη επιπέδου αποστολήςδεδομένων (UpLink-MAP (UL-MAP)). Όταν το επίπεδο MAC ολοκληρώσειτη διαδικασία, το N-I προσθέτει κάποια καθυστέρηση μετάδοσης και τοεκπέμπει μέσω του αέρα. Το "αντικείμενο" καναλιού (Channel) ανήκειστην κατηγορία του φυσικού επιπέδου των ασύρματων συσκευών.

Εκτός της εκπομπής, το μοντέλο αυτό λαμβάνει και πακέτα απόάλλα μοντέλα τα οποία στη συνέχεια κατατάσσει σε πακέτα ελέγχουκαι σε πακέτα δεδομένων. Άν είναι πακέτο ελέγχου, το αντικείμενοελέγχου του MAC θα εκτελέσει τις απαραίτητες διαδικασίες, σύμφωναμε το περιεχόμενο του πακέτου. Άν δεν είναι πακέτο ελέγχου, θαπροωθηθεί στο επίπεδο σύνδεσης. Τελικά, το πακέτο θα σταλεί στο TGAμέσω του επιπέδου σύνδεσης.

Όπως προαναφέρθηκε, στο μοντέλο του WiMax περιγράφεται τοCS καιCPS υποεπίπεδο του MAC επιπέδου και το Φυσικό επίπεδο κάθεσυσκευής. Στην εικόνα 7 φαίνονται σχηματικά τα αντικείμενα, ησυμπεριφορά καθενός καθώς και η σχέση μεταξύ τους. Έτσιπεριγράφονται ο σταθμός βάσης και οι σταθμοί χρηστών του δικτύου,τα οποία ορίζονται σαν αντικείμενα στην OTcL. Ακόμα, στην εικόνα 8φαίνονται οι τιμές των μεταβλητών του MAC και του Φυσικού επιπέδουπου ορίστηκαν. Στην εικόνα 9 φαίνονται οι τιμές των μεταβλητώνχρονισμού που τέθηκαν για την προσομοίωση, και στην εικόνα 10, μίαεικόνα του δικτύου που εξήχθη από το nam.

22

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Εικόνα 7

23

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Εικόνα 8

Εικόνα 9

24

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Εικόνα 10

Στην παραπάνω εικόνα (εικόνα 10), φαίνεται η τοπολογία τουδικτύου, το οποίο αποτελείται από ένα σταθμό βάσης και 9 σταθμούςχρηστών. Οι διαστάσεις είναι 1km * 1km.

Ώς χρόνος προσομοίωσης ορίστηκαν τα 20 δευτερόλεπτα. Στηνεικόνα 11 φαίνεται το χρονικό διάγραμμα της κίνησης του δικτύου, ενώστην εικόνα 12 η καθυστέρηση ώς συνάρτηση του αριθμού τωνχρηστών στο δίκτυο.

25

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Εικόνα 11

Όπως προαναφέρθηκε, η προσομοίωση διαρκεί 20 δευτερόλεπτα.Ο προσομοιωτής λαμβάνει συνεχώς τιμές από την κίνηση τωνδεδομένων στο δίκτυο. Όπως φαίνεται, η καμπύλη της ταχύτηταςμετάδοσης των δεδομένων κυμαίνεται μεταξύ ενός μεγάλου εύρουςτιμών. Αυτό οφείλεται στις διαδικασίες αρχικοποίησης της σύνδεσηςκαι στην διαδικασία ανάθεσης κάποιου εύρους ζώνης, διαδικασίες πουλαμβάνουν χώρα σε κάθε σταθμό βάσης καθώς και στις καθυστερήσειςλόγω αναμονής στο διάστημα ασφαλείας μεταξύ εκπομπής και λήψης.Έτσι λοιπόν, το εύρος της ταχύτητας μετάδοσης δεδομένων είναι 127– 6173 Bytes/sec. Τα νούμερα αυτά είναι αρκετά ικανοποιητικά, γιατίμεταφράζονται σε περίπου 1-48 Mbps, που είναι μία καλή τιμήταχύτητας για ένα ασύρματο δίκτυο.

26

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Εικόνα 12

Η καθυστέρηση, όπως φαίνεται φυσικό, αυξάνεται ανάλογα με τοναριθμό των χρηστών. Οφείλεται στην είσοδο καινούριων χρηστών στοδίκτυο, το οποίο προκαλεί ανακατανομή του εύρους ζώνης. Μετά τηνείσοδο κάθε καινούριου χρήστη, η καθυστέρηση παίρνει μίασυγκεκριμένη τιμή γιατί ο σταθμός βάσης διευθετεί τους χρόνουςαποστολής στην προσομοίωση. Ακόμα, η διαφορά προτεραιότηταςμεταξύ των δεδομένων εισάγει κάποια παραπάνω καθυστέρηση, οπότεμε κάποια διαφορετική μέθοδο θα γίνεται καλύτερη διαχείριση δικτύουκαι θα έχει ώς αποτέλεσμα μικρότερες καθυστερήσεις.

Συμπεράσματα

Το δίκτυο WiMax είναι μία ανερχόμενη τεχνολογία με πολλέςεφαρμογές και πολλά πλεονεκτήματα έναντι των ήδη υπάρχοντωντεχνολογιών. Έχει όμως να αντιμετωπίσει μεγάλο ανταγωνισμό,κυρίως λόγο του γεγονότος ότι οι άλλες τεχνολογίες υπάρχουν χρόνιακαι έχουν ήδη στημένα δίκτυα και θεωρούνται αξιόπιστες από το κοινό.

27

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Παράρτημα

Πίνακας Π-1

28

ΕΤΑΙΡΕΙΑ ΘΕΣΕΙΣ

3NET Δ. Αθήνας

ALTEC Καλλιθέα

ARX.NET Θεσσαλονίκη

COSMOLINE Γλυφάδα

COSMOTE Δ. Αθήνας, Θεσσαλονίκη, Πάτρα, Ηράκλειο Κρήτης

FORTHNET Καλλιθέα

HELLAS ON LINE Μαρούσι

INTRASTET Λάρισα

LANNET Περιστέρι, Καβάλα, Κομοτηνή

METANET Βόλος

SPARKNET Θεσσαλονίκη

SYNED Κάτζα

TELEPASSPORT Θεσσαλονίκη, Τρίκαλα

TELLAS Μαρούσι

VIVODI Χαλάνδρι

VODAFONE Παιανία

ΔΙΕΘΝΗΣ ΑΕΡΟΛΙΜΕΝΑΣ ΑΘΗΝΩΝ Σπάτα

Κ. ΟΥΡΟΥΛΗΣ (TELEDATA) Θεσσαλονίκη

ΜΑΡΑΚ Πέραμα

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Standard Description Status

802.16-2001 Fixed Broadband Wireless Access (10–63 GHz)Superseded

802.16.2-2001 Recommended practice for coexistenceSuperseded

802.16c-2002 System profiles for 10–63 GHzSuperseded

802.16a-2003 Physical layer and MAC definitions for 2–11 GHzSuperseded

P802.16bLicense-exempt frequencies(Project withdrawn)

Withdrawn

P802.16dMaintenance and System profiles for 2–11 GHz(Project merged into 802.16-2004)

Merged

802.16-2004

Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access System(rollup of 802.16-2001, 802.16a, 802.16c and P802.16d)

Superseded

P802.16.2aCoexistence with 2–11 GHz and 23.5–43.5 GHz(Project merged into 802.16.2-2004)

Merged

802.16.2-2004Recommended practice for coexistence(Maintenance and rollup of 802.16.2-2001 and P802.16.2a)

Current

802.16f-2005 Management Information Base (MIB) for 802.16-2004Superseded

802.16-2004/Cor 1-2005

Corrections for fixed operations(co-published with 802.16e-2005)

Superseded

802.16e-2005 Mobile Broadband Wireless Access SystemSuperseded

802.16k-2007Bridging of 802.16(an amendment to IEEE 802.1D)

Current

802.16g-2007 Management Plane Procedures and ServicesSuperseded

P802.16iMobile Management Information Base(Project merged into 802.16-2009)

Merged

802.16-2009 Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access System

Current

29

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

(rollup of 802.16-2004, 802.16-2004/Cor 1, 802.16e, 802.16f, 802.16g and P802.16i)

802.16j-2009 Multihop relay Current

P802.16hImproved Coexistence Mechanisms for License-Exempt Operation

in progress

P802.16mAdvanced Air Interface with data rates of 100 Mbit/s mobile & 1 Gbit/s fixed

in progress

Πίνακας Π-2

30

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Standard FamilyPrimary

UseRadio Tech

Downlink(Mbps)

Uplink (Mbps)Notes

802.16e WiMAXMobile Internet

MIMO-SOFDMA 70 70

Quoted speeds only achievable at very short ranges, more practically 10 Mbps at 10 km.

HIPERMAN HIPERMANMobile Internet

OFDM 56.9 56.9

WiBro WiBroMobile Internet

OFDMA 50 50 Mobile range (900 m)

iBurstiBurst 802.20

Mobile Internet

HC-SDMA 64 64 3-12 km

UMTS W-CDMA

HSDPA+HSUPAUMTS/3GSM

Mobile phone

CDMA/FDD.38414.4

.3845.76

HSDPA widely deployed. Typical downlink rates today 1-2Mbps, ~200kbps uplink; future downlink up to 28.8Mbps.

UMTS-TDD UMTS/3GSMMobile Internet

CDMA/TDD 16 16

Reported speeds according to IPWireless using 16QAM modulation similar to HSDPA+HSUPA

LTE UMTS UMTS/4GSMGeneral 4G

OFDMA/MIMO/SC-FDMA (HSOPA)

>100 >50 Still in development

1xRTT CDMA2000Mobile phone

CDMA 0.144 0.144 Obsoleted by EV-DO

EV-DO 1x Rev. 0

EV-DO 1x Rev.A EV-DO Rev.B

CDMA2000Mobile Internet

CDMA/FDD2.453.14.9xN

0.151.81.8xN

Rev B note: N is the number of 1.25 MHz chunks of spectrum used. Not yet deployed.

Πίνακας Π-3

31

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

802.16e-2005 QoS classes

ServiceAbbrev

Definition Typical Applications

Unsolicited Grant Service

UGSReal-time data streams comprising fixed-size data packets issued at periodic intervals

T1/E1 transport

Extended Real-time PollingService

ertPSReal-time service flows that generate variable-sized data packets on a periodic basis

VoIP

Real-time PollingService

rtPSReal-time data streams comprising variable-sized data packets that are issuedat periodic intervals

MPEG Video

Non-real-time Polling Service

nrtPSDelay-tolerant data streams comprising variable-sized data packets for which a minimum data rate is required

FTP with guaranteed minimum throughput[citation needed]

Best Effort BEData streams for which no minimum service level is required and therefore maybe handled on a space-available basis

HTTP

Πίνακας Π-4

32

Προσομοίωση δικτύου WiMax με τον ns-2

Αναφορές

Βιβλιογραφία

• Frank Chee-Da Tsai (Networks and Multimedia Institute, Institute forInformation Industry), Jenhui Chen (Department of Computer Science andInformation Engineering), Chiang-Wei Chang, Wei-Jen Lien, Chih-Hsin Hung,and Jui-Hsiang Sum, Chang Gung University, Kweishan, Taoyuan, Taiwan,R.O.C, 2006.

Ιστοσελίδες

• http://www.wimaxforum.org/ • http://standards.ieee.org/announcements/pr_p80216.html • http :// www . lrc . ic . unicamp . br / wimax _ ns 2/ • http://www.cygwin.com/ • http://nile.wpi.edu/NS/ • http://ndsl.csie.cgu.edu.tw/wimax_ns2.php • http://www.mnlab.cs.depaul.edu/projects/nsbench/ • http://www.eett.gr/opencms/opencms/EETT • http://nsnam.isi.edu/nsnam/index.php/Main_Page • http://www.pguy.co.uk/portfolio/paul/index.htm • http://ce.sharif.edu/~m_amiri/project/networksimulator1/index.htm#NSBinary

ForWindows32bitDwLnk• http://www.intel.com/technology/wimax/ • http://www.eett.gr/opencms/opencms/admin/News/news_0565.html • http://www.pcw.gr/Article/OpinionView/opinions_Rousseliotakis_pcworld_pcw/1

16-4626.html• http://4g-wirelessevolution.tmcnet.com/topics/4g-wirelessevolution/articles/wi

max-concerns.htm• http://gaia.cti.gr/P84-broadband/el/wimax.php • http://artemis.cslab.ntua.gr/ • http://cng1.iet.unipi.it/wiki/index.php/Ns2mesh80216 • http://www.techteam.gr/wiki/WiMAX • http://www.wifinet.gr/wifi7.html • http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-cygwin.html

33