Βελτιστοποίηση απόδοσης του πρωτοκόλλου ΙΕΕΕ 802.11 με χρήση μαθηματικών μοντέλων

Abstract

Η ανάπτυξη προτύπων για τα ασύρματα τοπικά δίκτυα σε συνδυασμό με το χαμηλό κόστος της ασύρματης τεχνολογίας επέτρεψε την ραγδαία εξάπλωση των ασυρμάτων δικτύων σε κοινόχρηστους και σε ιδιωτικούς χώρους όπως πανεπιστήμια, πλατείες, αεροδρόμια, γραφεία επιχειρήσεων, οικίες, κλπ. Η παρούσα διατριβή μελετά το πρωτόκολλο ΙΕΕΕ 802.11 το οποίο κυριαρχεί στα ασύρματα τοπικά δίκτυα. Ειδικότερα ερευνά την απόδοση της κατανεμημένης διαδικασίας πρόσβασης DCF του υποεπιπέδου MAC του ΙΕΕΕ 802.11. Σκοπός της παρούσας ερευνητικής προσπάθειας είναι η συμβολή στην έρευνα για την ανάπτυξη ενός απλού και αποτελεσματικού υποεπιπέδου πρόσβασης μέσου MAC στα ασύρματα δίκτυα που βασίζονται στο πρωτόκολλο ΙΕΕΕ 802.11. Αναπτύσσονται μαθηματικά μοντέλα για τον υπολογισμό των ακόλουθων μετρικών για την απόδοση της διαδικασίας DCF που χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο εκθετικής οπισθοχώρησης ΒΕΒ: α) την μέση καθυστέρηση των πακέτων ανά βαθμίδα οπισθοχώρησης και την πιθανότητα ανά βαθμίδα οπισθοχώρησης, β) την μέση καθυστέρηση των πακέτων, γ) την κατανομή των καθυστερήσεων των πακέτων, δ) την αθροιστική κατανομή των καθυστερήσεων, ε) την διακύμανση των καθυστερήσεων των πακέτων και στ) την χωρητικότητα του καναλιού (μέσου) σε φωνητικές συνομιλίες. Επίσης αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος ελέγχου εισόδου (admission control). Τα προτεινόμενα μαθηματικά μοντέλα α) υπολογίζουν τις παραπάνω μετρικές με σχετικά απλές μαθηματικές σχέσεις, β) είναι ακριβή (η ακρίβεια προσδιορίζεται μετά από σύγκριση με αποτελέσματα προσομοιώσεων) και γ) παράγουν αποτελέσματα σε σύντομο χρονικό διάστημα. Αναπτύσσονται διάφορα σενάρια λειτουργίας των ασυρμάτων τοπικών δικτύων και μελετάται η επίδραση των τιμών των παραμέτρων της DCF στην απόδοση με απώτερο σκοπό τον καθορισμό βέλτιστων τιμών και συνθηκών για την βέλτιστη απόδοση του πρωτοκόλλου ΙΕΕΕ 802.11. Η ανάλυση των μετρικών και τα αποτελέσματα εφαρμογής τους στα ασύρματα δίκτυα συμβάλουν στην επιστημονική γνώση, καθώς συμβάλουν στην δημιουργία καλυτέρων μεθόδων πρόσβασης στο ασύρματο μέσο. Η πιο σημαντική συμβολή αυτής της διατριβής είναι το γεγονός ότι για πρώτη φορά πραγματοποιήθηκε πλήρης, συστηματική και εκτεταμένη έρευνα για τις καθυστερήσεις των πακέτων ως κριτήριο απόδοσης των ασυρμάτων δικτύων.

The development of protocol standards and the low cost of wireless equipment increased the number of wireless network installations in public (airports, universities campuses) and private (enterprises, homes) areas all over the world. This research effort examines the IEEE 802.11 protocol that dominates wireless local area networks (WLANs). Specifically, it investigates the performance of the Distributed Coordination Function (DCF) of ΙΕΕΕ 802.11 Medium Access Control (MAC) protocol. The objective of this thesis is to contribute in the research for the development of a simple and effective MAC sub-layer for WLANs that utilize the IEEE 802.11 protocol. Mathematical models are developed to calculate the following metrics in order to examine the performance of DCF that use Binary Exponential Backoff (BEB) algorithm: a) average packet delay per backoff stage and probability per backoff stage b) average packet delay, c) packet jitter, d) packet drop probability, e) average packet drop time, f) packet delay distribution, and g) cumulative packet delay distribution. An admission control algorithm is also presented. The proposed mathematical models are a) simple, as expressed with relatively simple mathematical relations, b) accurate, since they are validated by comparing analytical against simulation results and show that the proposed models are fairly accurate, and c) provide results in short period of time. Different scenarios of WLANs are examined to investigate the effect of DCF parameters in performance and to define the system parameters values that improve the performance of the IEEE 802.11 protocol. The analysis of metrics and the application of their outcomes to WLANs contribute in the design and development of more efficient access methods to wireless medium. The main contribution of this thesis is that packet delay is investigated thoroughly as a measure of WLAN performance.