Wsp�praca dla sieci bezprzewodowych nowej generacji

Wsp�praca dla sieci bezprzewodowych nowej generacji

Wprowadzenie

Obecnie u�ytkownicy pragn� ��czno�ci "w dowolnym miejscu", wykorzystuj�c mi�dzy innymi najnowocze�niejsze urz�dzenia, takie jak smartfony, tablety, czytniki e-book�w i netbooki. Te wysokiej klasy urz�dzenia wype�ni�y luk� mi�dzy wydajno�ci� a mobilno�ci� w rozmiarze r�cznym, umo�liwiaj�c korzystanie z aplikacji wymagaj�cych du�ej przepustowo�ci. Wed�ug Cisco do ko�ca 2017 r. Przypada prawie 1,4 urz�dzenia mobilnego per capita. Ta olbrzymia liczba urz�dze� mobilnych, kt�ra jest g��wnie zwi�zana z szerokim wykorzystaniem sieci spo�eczno�ciowych i stron internetowych do udost�pniania multimedi�w, doprowadzi�a do wprowadzenia technologii komunikacyjnych czwartej generacji (4G), takich jak Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) i Long Term Evolution Advanced (LTE-A), zaprojektowany w celu zapewnienia wy�szych szybko�ci transmisji danych i zwi�kszenia pojemno�ci sieci. Poza 4G, w sieciach nowej generacji, rosn�ca g�sto�� urz�dze� mobilnych, wraz ze wsp�istnieniem r�nych technologii bezprzewodowych w typowych obszarach miejskich, motywuje nowy paradygmat architektury: sieci heterogeniczne (HetNets). Podstawow� koncepcj� HetNets jest bezproblemowa integracja i wsp�dzia�anie r�nych technologii dost�pu bezprzewodowego w celu zwi�kszenia wydajno�ci systemu i efektywno�ci energetycznej zar�wno po stronie operatora, jak i u�ytkownika. W tym celu rozw�j mikro stacji bazowych ma�ej mocy (BS) (femto, pico, WiFi) wewn�trz obszaru pokrycia makro BS (LTE, WiMAX) przyczynia si� w obu kierunkach: i) r�wnowa�enie obci��enia ruchem do r�nych stacji BS oznacza lepsza alokacja i wykorzystanie zasob�w, podczas gdy ii) wykorzystanie kr�tkich ��czy radiowych ma�ej mocy prowadzi do zwi�kszenia efektywno�ci energetycznej w sieci. HetNets mo�na uzna� za namacalny dow�d na to, �e r�ne rodzaje technologii komunikacyjnych (np. d�ugi, �redni i kr�tki zasi�g) nie s� konkurentami, ale mog� wsp�pracowa� w celu zmniejszenia koszt�w energii operatora, zapewniaj�c jednocze�nie lepsz� jako�� us�ug ( QoS) i Quality of Experience (QoE) dla u�ytkownika ko�cowego. Ponadto wprowadzenie tego nowego paradygmatu po raz kolejny podnios�o znaczenie komunikacji �redniego / kr�tkiego zasi�gu, motywowanie �rodowiska naukowego do zaj�cia si� nowymi sposobami na popraw� zadowolenia u�ytkownik�w, z uwzgl�dnieniem ogranicze� energetycznych, jakie stwarza Unia Europejska (UE) i kilka organizacji normalizacyjnych. W tym kontek�cie komunikacja kooperacyjna zyska�a znaczn� uwag� w ci�gu ostatniej dekady. W szczeg�lno�ci, bliskie s�siedztwo urz�dze� mobilnych i charakter nadawania medium bezprzewodowego sk�aniaj� u�ytkownik�w ko�cowych do wsp�pracy w celu dalszej poprawy do�wiadczonego QoS, zmniejszaj�c jednocze�nie wymagan� moc dla transmisji. Ta wsp�praca mo�e zosta� osi�gni�ta poprzez przes�anie danych do miejsca docelowego za pomoc� w�z��w po�rednich (znanych jako przeka�niki lub pomocnicy). Amplify-and-Forward (AF) i Decode-and-Forward (DF) to dwie najbardziej popularne techniki wsp�pracy w sieci. W szczeg�lno�ci AF jest uwa�any za najprostszy spos�b wsp�pracy, w kt�rym w�ze� przeka�nikowy wzmacnia tylko odbierany sygna� ze �r�d�a i przekazuje go do miejsca docelowego. Z drugiej strony strategia DF umo�liwia przeka�nikom dekodowanie odebranych informacji przed przekazaniem ich do w�z�a docelowego. Ta dodatkowa zdolno��, kt�r� DF zapewnia przeka�nikom, jest szczeg�lnie u�yteczna w schematach kooperacyjnego automatycznego powtarzania ��dania (ARQ), gdzie awarie odbioru w miejscu przeznaczenia s� kompensowane przez retransmisje przez s�siednie stacje przeka�nikowe, kt�re poprawnie otrzyma�y oryginalne informacje. Co wi�cej, rosn�ce zainteresowanie wymian� informacji i komunikacj� dwukierunkow� spowodowa�o zaprojektowanie nowych technik, takich jak kodowanie sieciowe (NC) [6], kt�re s� r�wnie� u�atwione przez strategi� DF, poniewa� wymagaj� dekodowania i ponownego kodowania dane w w�z�ach przeka�nikowych. Z wy�ej wymienionych powod�w DF przyci�ga coraz wi�ksz� uwag� zar�wno w przypadku jedno-, jak i dwukierunkowych paradygmat�w komunikacyjnych, w kt�rych stosuje si�, odpowiednio, proste i oparte na NC techniki wsp�pracy. Motywacja naszej pracy jest dwojaka. Po pierwsze, analiza wydajno�ci strategii kooperacyjnych (AF lub DF) jest zwykle przeprowadzana z punktu widzenia teorii informacji i komunikacji, po zastosowaniu czystej warstwy fizycznej (PHY), z pomini�ciem dzia�ania g�rnych warstw w stosie protoko��w. Drugie ograniczenie dotyczy roli topologii sieci w wydajno�ci systemu. W szczeg�lno�ci, chocia� ostatnie badania zbada�y wp�yw powolnego zanikania (cieniowania) na komunikacj� bezprzewodow�, zwi�kszona g�sto�� w�z��w implikuje wy�sz� korelacj� mi�dzy ��czami bezprzewodowymi, ograniczaj�c dalej zyski r�norodno�ci przestrzennej. Jest to szczeg�lnie wa�ne w sieciach nowej generacji, w kt�rych wsp�istnieje kilka system�w bezprzewodowych, a nawet b�d� musia�y dzia�a� synergicznie, co wymaga �cis�ej integracji mi�dzy nimi, aby zachowa� ich optymalne cechy. Dlatego te�, mimo �e wsp�praca by�a szeroko badana i stosowana w pewnym stopniu do system�w 4G, w 5G musimy rozwa�y� interdyscyplinarny projekt i poprowadzi� paradygmat wsp�pracy na zupe�nie nowy poziom, gdzie miliardy urz�dze� b�d� po��czone z Internetem, gdzie separacje mi�dzy warstwy protoko�u w sieci s� zamazane, a blisko�� urz�dze� b�dzie mia�a powa�ne konsekwencje dla korzy�ci r�norodno�ci przestrzennej, wp�ywaj�c na wydajno�� wsp�pracy. Dlatego w tym rozdziale przeanalizujemy paradygmat wsp�pracy z nowej perspektywy i zbadamy, w jaki spos�b protok� kontroli dost�pu do medium (MAC) mo�e odgrywa� g��wn� rol� w wykorzystywaniu korzy�ci wynikaj�cych ze strategii wsp�pracy poprzez projektowanie mi�dzywarstwowe, a poza tym pracowa� w synergii z szeroko stosowanym podej�ciem NC. Po pierwsze, badamy wp�yw korelacji kana�u na wydajno�� dwukierunkowych kooperatywnych protoko��w MAC. Po drugie, motywuj�c si� szerokim rozpowszechnieniem DF, przedstawiamy kr�tki przegl�d prostego i zakodowanego w sieci protoko�u ARQ MAC, z kt�rych oba s� wstecznie zgodne z naszym studium przypadku, standardem IEEE 802.11 dla komunikacji �redniego zasi�gu. Naszym g��wnym wk�adem jest kompleksowe badanie mi�dzywarstwowe ukierunkowanych na MAC strategii wsp�pracy opartych na NC, z uwzgl�dnieniem rosn�cej g�sto�ci terminali w sieciach bezprzewodowych nowej generacji. Wsp�lne strategie r�norodno�ci i przekazywania

Wsp�praca i kodowanie sieci

W ci�gu ostatniej dekady wsp�praca w zakresie komunikacji zyska�a znaczn� uwag� w spo�eczno�ci badawczej. G��wn� ide� komunikacji kooperacyjnej jest osi�gni�cie r�norodno�ci przestrzennej bez konieczno�ci posiadania wielu anten w pojedynczych terminalach. Dok�adniej, w systemach kooperacyjnych ka�dy w�ze� mobilny staje si� cz�ci� du�ej rozproszonej macierzy, dziel�c swoj� pojedyncz� anten� (jak r�wnie� sprz�t, przetwarzanie i zasoby energii), aby wspom�c komunikacj� mi�dzy dwoma w�z�ami (�r�d�o i miejsce przeznaczenia), wykorzystuj�c albo Strategie AF lub DF. W rezultacie ostateczny cel mo�e otrzyma� wiele kopii tego samego komunikatu, kt�ry mo�na lokalnie po��czy�, aby poprawi� niezawodno�� transmisji. W zwi�zku z tym wsp�praca rozproszona z korzy�ci� wykorzystuje charakter transmisji medium bezprzewodowego, potencjalnie zapewniaj�c: (i) wy�sz� r�norodno�� przestrzenn� i przepustowo��; (ii) mniejsze zu�ycie energii i mniejsze zak��cenia; oraz (iii) dostosowanie do warunk�w sieciowych. Poza oczywistymi zaletami, istniej� jednak pewne ograniczenia we wsp�pracy, poniewa� rozproszone systemy kooperacyjne wymagaj� dodatkowych zasob�w przepustowo�ci (w obu przypadkach sloty lub cz�stotliwo�ci radiowe) ze wzgl�d�w praktycznych, takich jak ograniczenia p�dupleksowe lub problemy z unikaniem zak��ce�. Ponadto w�z�y przeka�nikowe w systemach kooperacyjnych s� zmuszone do uczestniczenia w komunikacji mi�dzy innymi w�z�ami, co ma wp�yw na ich w�asne op�nienie pakiet�w. Aby przezwyci�y� te ograniczenia, kt�re powa�nie wp�ywaj� na przepustowo�� sieci, op�nienia i wydajno�� energetyczn�, NC zosta� wprowadzony jako zaawansowany mechanizm routingu kodowania w warstwie sieciowej, kt�ry umo�liwia w�z�om po�rednim w sieci nie tylko przekazywanie, ale tak�e przetwarzanie danych przychodz�cych Zastosowanie NC jest u�atwione dzi�ki zaawansowanym strategiom wsp�pracy DF, kt�re umo�liwiaj� w�z�om po�rednim dekodowanie pakiet�w danych przed ponownym zakodowaniem ich w warstwie sieci, przy u�yciu technik na poziomie bit�w. Ta operacja zmniejsza zapotrzebowanie na zasoby zwi�zane z transmisj� danych, co oznacza bezpo�rednie zwi�kszenie wydajno�ci energetycznej i przepustowo�ci

Sp�dzielcze protoko�y MAC ARQ

Przyt�aczaj�ca liczba urz�dze� mobilnych (kt�re s� potencjalnymi w�z�ami przeka�nikowymi) w starszych systemach komunikacyjnych, kt�ra ma wzrosn�� do niespotykanego poziomu w miar� zbli�ania si� do ery 5G, rodzi wa�ne wyzwania, takie jak efektywna koordynacja dost�pu do kana��w w celu zaprojektowania efektywnej wsp�pracy systemy. W kontek�cie bezprzewodowym ta operacja jest bardzo trudna, poniewa� zak��cenia powodowane przez r�ne transmisje w tej samej komunikacji, zasi�g mo�e prowadzi� do utraty pakiet�w, kt�re pogarszaj� wydajno�� sieci. Dlatego te� projektowanie odpowiednich protoko��w MAC ma fundamentalne znaczenie dla wykorzystania rozproszonej wsp�pracy poprzez zmniejszenie op�nie� i liczby kolizji w sieci. Istniej�ce wsp�pracuj�ce protoko�y MAC mo�na sklasyfikowa� jako proaktywne lub reaktywne, w odniesieniu do czasu uruchomienia wsp�pracy. Je�li chodzi o poprzedni� klas�, stacje mobilne w wieloprzebiegowych sieciach bezprzewodowych przypisuj� schemat modulacji i szybko�� transmisji zgodnie z wykrytym wsp�czynnikiem sygna�u do szumu (SNR), stosuj�c adaptacyjn� modulacj� i kodowanie (AMC). Ka�dy schemat modulacji mo�e by� dalej zmapowane do zakresu SNR dana moc transmisji. Stacje wybieraj� zatem najwy�sz� dost�pn� szybko�� transmisji danych zgodnie z wykrytym SNR, aby osi�gn�� wysok� wydajno�� transmisji w systemach bezprzewodowych. W ramach proaktywnej wsp�pracy routing pakiet�w odbywa si� z uwzgl�dnieniem jako�ci kana�u mi�dzy �r�d�em, przeka�nikiem i miejscem docelowym. Dlatego transmisja wieloskokowa mo�e by� preferowana zamiast bezpo�redniej. Je�li chodzi o reaktywne protoko�y wsp�pracy, ARQ jest jedn� z g��wnych metod kontroli b��d�w w komunikacji danych. Techniki ARQ zyska�y znaczn� uwag� przy transmisji danych ze wzgl�du na ich prostot� i niezawodno�� w por�wnaniu z alternatywnymi rozwi�zaniami, takimi jak mechanizmy Forward Error Correction (FEC). W kooperatywnych systemach ARQ przeka�niki nieustannie pods�uchuj� ka�d� trwaj�c� transmisj�, dzi�ki czemu staj� si� zdolne do uczestniczenia w dowolnej kolejnej fazie retransmisji w przypadku, gdy wiadomo�� nie zosta�a poprawnie zdekodowana w miejscu przeznaczenia. pakiet, zwykle okre�lany jako Request for Cooperation (RFC) lub Negative Acknowledgement NACK), nadawany przez miejsce docelowe po niepowodzeniu dekodowania. Dianati i in. zaproponowa� jeden z pierwszych wsp�pracuj�cych protoko��w ARQ MAC, demonstruj�c potencjalne zyski energii i przepustowo�ci, kt�re mo�na osi�gn�� wykorzystuj�c wsp�prac� w�z��w w scenariuszach mobilnych. Analiza op�nienia pojedynczego �r�d�a ARQ systemu z pojedynczym �r�d�em zosta�a przedstawiona w odniesieniu, gdzie autorzy zidentyfikowali przypadki i niezb�dne warunki wst�pne, kt�re musz� zosta� spe�nione, aby schematy wsp�pracy ARQ przewy�sza�y tradycyjne metody ARQ. W nawi�zaniu do tego autorzy wprowadzili koncepcj� ��czenia ram i zbadali warunki, w kt�rych ich propozycja poprawia klasyczne ARQ. Wydajno�� wsp�pracy grupowej ARQ (MCARQ) w sieciach bezprzewodowych i jej potencjalnych zastosowa� w praktycznych systemach, na przyk�ad w komunikacji MIMO dla wielu u�ytkownik�w, jest badana w odniesieniu. Idea wsp�pracy ARQ zosta�a r�wnie� zastosowana w sieciach infrastrukturalnych, gdzie w�z�y z najlepszymi kana�ami s� wybierane oportunistycznie jako przeka�niki do przekazywania pakiet�w z punktu dost�powego, co znacznie poprawia osi�gni�t� przepustowo��. Ostatnio prace referencyjne wprowadzi�y ramy teoretyczne do modelowania wsp�pracuj�cych protoko��w ARQ z wyborem przeka�nik�w. W ramach proponowanej struktury autorzy uzyskuj� wydajno�� protoko�u pod wzgl�dem przepustowo�ci i efektywno�ci energetycznej, bior�c pod uwag� narzut wyboru przeka�nika i czasow� korelacj� zanikaj�cych kana��w. Je�li chodzi o zastosowanie NC w warstwie MAC, potencjalne ulepszenia, kt�re mo�na uzyska� w systemach ARQ z jednym przeka�nikiem, s� badane w odniesieniu, gdzie udowodniono, �e zar�wno przepustowo��, jak i op�nienie pakietu mog� odnie�� korzy�� dzi�ki zastosowaniu technik NC.

Powy�sze prace dotycz� wyboru przeka�nik�w lub system�w z pojedynczym przeka�nikiem. Jednak w rzeczywistych systemach wielu u�ytkownik�w mo�e kwalifikowa� si� jako przeka�niki, a ich skuteczna koordynacja nabiera pierwszorz�dnego znaczenia. W tym celu PRCSMA (ang. Persistent Relay Carrier Sensing Multiple Access) by� pierwszym protoko�em MAC zaprojektowanym do stosowania rozproszonych technik ARQ w sieciach bezprzewodowych. W PRCSMA wszystkie stacje s� zapraszane do stania si� aktywnymi przeka�nikami, o ile spe�niaj� okre�lone kryteria wyboru przeka�nik�w. Wiele przeka�nik�w walczy o dost�p do kana�u w fazie wsp�pracy zgodnie z mechanizmem rozproszonej funkcji koordynacji (DCF) standardu IEEE 802.11. Aby przezwyci�y� ograniczenia PRCSMA i jeszcze bardziej zwi�kszy� wydajno�� systemu, He i Li zaproponowali wieloprzeka�nikowy, kooperacyjny schemat ARQ, w kt�rym przeka�niki automatycznie planuj� swoje retransmisje sekwencyjnie zgodnie z ich natychmiastow� jako�ci� kana�u przeka�nikowego do miejsca docelowego, rozwi�zuj�c w ten spos�b problem kolizji mi�dzy wieloma rywalizuj�cymi w�z�ami. Zaanga�owanie wielu samolubnych w�z��w we wsp�prac� zmotywowa�o prac� w referencji [26], w kt�rej nagradzano zach�ty do przeka�nik�w za pomoc� technik teorii gier, aby uczestniczy� we wsp�pracy. Gwarantuj�c kompatybilno�� z IEEE 802.11, wprowadzono system wspomagania kooperatywnego ARQ (NCCARQ) wspomaganego NC, kt�ry znacz�co poprawia efektywno�� energetyczn� w sieci dzi�ki zastosowaniu technik NC, bez nara�ania osi�gni�tej przepustowo�ci i op�nienia. Podsumowuj�c powy�sze, PRCSMA i NCCARQ stanowi� dwie pionierskie prace odpowiednio dla prostych i opartych na NC schemat�w rozproszonych MAC ARQ, zaprojektowanych dla sieci WLAN zgodnie z zasadami DCF. Pomimo podobie�stw w ich koncepcji i implementacji, NCCARQ okaza� si� znacznie lepszy od PRCSMA w dwukierunkowych scenariuszach komunikacyjnych, pod wzgl�dem efektywno�ci energetycznej, przepustowo�ci i op�nienia pakiet�w. To ulepszenie, kt�re w pewnych warunkach mo�e osi�gn�� 80%, przypisuje si� g��wnie wykorzystaniu NC, co potencjalnie zmniejsza liczb� retransmisji, pomagaj�c w�z�om unikn�� bezpo�redniego b��dnego kana�u. Je�li chodzi o PRCSMA, wymiana pakiet�w odbywa si� w dw�ch fazach. W pierwszej fazie w�ze� A przesy�a pakiet a do w�z�a B, a przeka�niki pods�uchuj� transmisj�. Poniewa� zak�ada si�, �e kana� bezpo�redni jest z�y, transmisja ko�czy si� niepowodzeniem i w�ze� B pyta s�siednie w�z�y o wsp�prac�. Przeka�niki, kt�re pomy�lnie zdekodowa�y pakiet wej�ciowy w rundzie rywalizacji w celu uzyskania dost�pu do kana�u i przes�ania danych do w�z�a B. Odpowiednio, w drugiej fazie ta sama procedura jest powtarzana, ale tym razem w�ze� B wysy�a bezpo�rednio pakiet b do w�ze� A i przeka�niki retransmituj� pakiet po otrzymaniu komunikatu RFC. Oczywi�cie w przypadku komunikacji dwukierunkowej narzut pakiet�w kontrolnych w PRCSMA pogarsza wydajno�� sieci, podczas gdy w�z�y ko�cowe kontynuuj� transmisj� przez kana� bezpo�redni, pomimo wysokiego prawdopodobie�stwa b��d�w pakiet�w. Z drugiej strony, dzia�anie NCCARQ zapewnia skuteczne rozwi�zania tych problem�w, poniewa� w�z�y unikaj� bezpo�redniego po��czenia, zmniejszaj�c obci��enie pakietu kontrolnego w sieci i liczb� nadmiernych retransmisji. Dok�adniej, po b��dnym odbiorze pakietu a, w�ze� B transmituje pakiet RFC wraz z pakietem danych b do przeka�nik�w. Przeka�niki, po otrzymaniu obu pakiet�w, s� w stanie wykonywa� NC i rozsy�a� kodowane pakiety do w�z��w ko�cowych. Pomimo nowatorskiego wgl�du w projekt wsp�pracy w ramach protoko�u MAC, wszystkie wy�ej wymienione prace zak�adaj� albo idealne warunki kana�owe, albo zbyt uproszczone modele kana��w, chocia� warstwa PHY znacz�co wp�ywa na rzeczywist� wydajno�� protoko�u i, w wielu przypadkach, ogranicza korzy�ci p�yn�ce ze wsp�pracy i NC idealnie by to zapewni�o. W szczeg�lno�ci bardzo wa�ne jest przewidzenie rodzaju zaniku, kt�ry mo�e wyst�pi�, w celu z�agodzenia jego skutk�w lub oszacowania prawdopodobie�stwa wyst�pienia przerwy w dostawie pr�du. W tym celu w literaturze zidentyfikowano dwa podstawowe typy zanikania: szybkie i powolne zanikanie, kt�re wprowadzaj� odpowiednio ma�e i du�e zmiany skali do si�y odbieranego sygna�u. W dalszej cz�ci tej cz�ci badamy wp�yw warstwy PHY na analiz� protoko�u MAC i dzia�anie, koncentruj�c si� na wp�ywie powolnego zanikania i mo�liwej korelacji przestrzennej mi�dzy ��czami kooperacyjnymi na wydajno�� NCCARQ.

Wp�yw warstwy PHY na analiz� protoko�u MAC

Istniej� dwa kluczowe aspekty dotycz�ce w�a�ciwej oceny protoko��w MAC w realistycznej warstwie PHY i kana�y zanikaj�ce. Pierwszy problem polega na rozr�nieniu pakiet�w poprawnie odebranych i uszkodzonych (lub b��dnych). W szczeg�lno�ci pakiet jest charakteryzowany jako poprawny lub uszkodzony w zale�no�ci od tego, czy spe�nia on dany poziom QoS ��dany przez warstw� aplikacji. Kwestia ta ma zasadnicze znaczenie w kooperatywnych sieciach bezprzewodowych, w kt�rych oszacowanie integralno�ci pakietu determinuje zar�wno inicjalizacj� fazy wsp�pracy, jak i zestaw przeka�nik�w, kt�re odgrywaj� aktywn� rol� w fazie retransmisji. W tym kontek�cie nale�y zwr�ci� szczeg�ln� uwag� na powolne zmiany cieniowania, aby wybra� najbardziej odpowiedni� metryk� QoS do analizy protoko�u. Drug� kluczow� kwesti� jest realistyczna analiza wp�ywu rozproszonej wsp�pracy na osi�galn� wydajno��, kt�ra wymaga odpowiedniego modele propagacji przestrzennej, kt�re uwzgl�dniaj� fakt, �e s�siednie w�z�y przeka�nikowe mog� odbiera� pakiety przez podobne bezprzewodowe kana�y. W zwi�zku z tym badanie korelacji cienia ma ogromne znaczenie dla oceny i por�wnania potencjalnych korzy�ci z protoko��w wsp�pracy i braku wsp�pracy.

Wp�yw szybkiego zanikania i cieniowania na odbi�r pakiet�w dla gwarancji QoS

W komunikacji bezprzewodowej nale�y wprowadzi� skuteczne mechanizmy, aby okre�li�, czy pakiet mo�e zosta� zaakceptowany przez warstw� MAC dla danej QoS okre�lonej przez warstw� aplikacji. W tym celu kluczowe jest zapewnienie niezawodnego mechanizmu, kt�ry wyra�nie uwzgl�dnia rzeczywiste schematy transmisji / odbioru (Tx / Rx), wraz z parametrami systemu (np. Modulacj�, kodowaniem i d�ugo�ci� pakietu) oraz modelami kana��w. Dok�adniej, minimalne wymagania dotycz�ce odbieranej mocy dla docelowego QoS mog� si� r�ni� w zale�no�ci od przyj�tej metody Tx / Rx. W szczeg�lno�ci zaawansowane techniki Tx / Rx (np. Schematy oparte na MIMO, kodowanie turbo itp.) Mog� umo�liwi� warstwie MAC akceptowanie pakiet�w o ni�szej jako�ci ni� prostsze schematy Tx / Rx (np. Niekodowane transmisje pojedynczej anteny). W zwi�zku z tym zasadnicze znaczenie ma opracowanie zaawansowanych ram teoretyczno-komunikacyjnych, kt�re dok�adnie odwzorowuj� parametry warstwy PHY na osi�galne wymagania QoS i wykorzystuj� je do projektowania protoko��w i optymalizacji. Ponadto charakterystyki kana�u bezprzewodowego ostatecznie decyduj� o wydajno�ci protoko��w MAC. Ze wzgl�du na niedeterministyczny charakter propagacji bezprzewodowej, analiza protoko�u i projektowanie mog� by� dokonywane tylko statystycznie, to znaczy przy u�yciu odpowiednich wymaga� QoS, kt�re uwzgl�dniaj� rozk�ad statystyczny kana�u bezprzewodowego. Aby uczyni� dyskusj� bardziej konkretn�, w naszej pracy wykorzystywany jest wska�nik b��d�w pakiet�w (PER) jako miara dostarczania QoS, poniewa� zak�adamy, �e PER powinien by� ni�szy ni� dany pr�g dla niezawodnej transmisji danych i odbioru pakiet�w. Jednak statystyczna charakterystyka PER silnie zale�y od �rodowiska, w kt�rym prowadzone jest badanie. W �rodowiskach, w kt�rych rozwa�ane jest tylko szybkie zanikanie, zdecydowanie zalecane jest stosowanie �rednich metryk, takich jak �rednia PER (APER), w celu identyfikacji prawid�owych transmisji, jak szybkie fluktuacje sygna�u na ma�ych odleg�o�ciach (tj. W kolejno�ci d�ugo�� fali) sprawia, �e jest to proces ergodyczny. Z drugiej strony, kryterium poprawnego odbioru pakiet�w jest zasadniczo zmodyfikowane w obecno�ci powolnego zanikania, kt�re, w przeciwie�stwie do szybkiego zanikania, jest procesem nie ergodycznym na czas komunikacji, kt�ra sk�ada si� z transmisji kilku pakiet�w. W szczeg�lno�ci, chocia� �ledzenie mo�e si� zmieni� w trakcie komunikacji, jego fluktuacje nie s� wystarczaj�co szybkie, aby do�wiadczy� wszystkich stan�w dystrybucji. Jest wyra�nie zilustrowane, �e w obecno�ci cieni najbardziej odpowiedni� metryk� do analizy protoko��w komunikacyjnych jest przest�j PER (OPER), kt�ry jest zdefiniowany jako prawdopodobie�stwo, �e APER przekroczy z g�ry okre�lon� warto��, kt�ra zale�y od QoS ��danej przez warstw� aplikacji.

Wp�yw korelacji przestrzennej z cieniowaniem

Brak zr�nicowania przestrzennego jest jedn� z g��wnych wad tradycyjnej sieci. W konwencjonalnych sieciach pakiety retransmitowane z tego samego w�z�a w kolejnych przedzia�ach czasowych mog� do�wiadcza� podobnych, skorelowanych w czasie z�ych warunk�w w kanale, co prowadzi do wielu kolejnych awarii. Komunikacja kooperacyjna zosta� wprowadzony w celu przezwyci�enia tego ograniczenia, zapewniaj�c potencjalnemu pakietowi mo�liwo�� dotarcia do celu przez r�ne �cie�ki bezprzewodowe, zwi�kszaj�c tym samym prawdopodobie�stwo prawid�owego odbioru. Aby dok�adniej wyja�ni�, rozwa�my sie� wsp�pracy, w kt�rej dwa w�z�y wymieniaj� dane, wspomagane przez zestaw po�rednich w�z��w zdolnych do obs�ugi NC. W takich topologiach ka�da �cie�ka transmisji jest okre�lana przez w�ze� przeka�nikowy, kt�ry pods�uchuje transmitowane pakiety, dzi�ki czemu mo�e zastosowa� NC i dalej przesy�a� je do miejsca docelowego. W idealnych przypadkach, je�li wszystkie przeka�niki zaanga�owane w faz� kooperacji otrzymuj� pakiety przez nieskorelowane kana�y cieniowania, prawdopodobie�stwo, �e niekt�re z nich spe�niaj� wymagania QoS, jest proporcjonalnie wy�sze. Jednak w rzeczywistych wdro�eniach sieciowych przeka�niki geograficznie bliskie do�wiadczaj� skorelowanych warunk�w cieniowania, kt�re zazwyczaj prowadz� do powa�nego pogorszenia wydajno�ci, st�d w kontek�cie sieci kooperacyjnych najwa�niejszym aspektem, kt�ry nale�y wzi�� pod uwag� przy kompletnej ocenie wydajno�ci, jest �ledzenie korelacji przestrzennej, wp�ywa bezpo�rednio na: (i) moc odbieranego sygna�u w ka�dym w�le sieci, kt�ra okre�la potrzeb� wsp�pracy, oraz (ii) najbardziej odpowiedni� liczb� wsp�pracuj�cych przeka�nik�w dla danego wymogu QoS, co wp�ywa na narzut zwi�zany ze wsp�prac� i ca�kowite zu�ycie energii w sieci.

Studium przypadku: NCCARQ

Celem tej sekcji jest podkre�lenie wp�ywu realistycznej warstwy PHY na wydajno�� protoko��w MAC sterowanych NC. W tym celu uwa�amy za reprezentatywne studium przypadku protok� MAC NCCARQ, kt�ry koordynuje dost�p do kana�u mi�dzy zestawem w�z��w przeka�nikowych obs�uguj�cych NC w dwukierunkowej komunikacji bezprzewodowej. W kolejnych sekcjach pokr�tce om�wimy dzia�anie protoko�u i wyra�nie badamy zmiany ze wzgl�du na realistyczne uwzgl�dnienie warstwy PHY.

Przegl�d NCCARQ Protok� MAC NCCARQ zosta� zaprojektowany, aby wykorzysta� zalety zar�wno ARQ, jak i NC w dwukierunkowych wsp�pracuj�cych sieciach bezprzewodowych, b�d�c wstecznie kompatybilnym z DCF standardu IEEE 802.11. Funkcja protoko�u opiera si� na dw�ch g��wnych czynnikach: (i) charakter transmisji bezprzewodowej, kt�ry umo�liwia wsp�prac� mi�dzy w�z�ami mobilnymi, oraz (ii) zdolno�� po�rednich w�z��w przeka�nikowych do wykonywania NC przed jak�kolwiek transmisj�. Faza wsp�pracy jest wyzwalana poprzez transmisj� pakietu kontrolnego RFC po b��dnym odbiorze pakietu w w�le docelowym. Ponadto, w przeciwie�stwie do konwencjonalnych protoko��w kooperacyjnych ARQ, NCCARQ pozwala na transmisj� danych w systemie piggyback wraz z RFC, tym samym wykorzystuj�c aplikacj� NC. Po tym powiadomieniu o wsp�pracy przeka�niki stosuj� NC do dw�ch pakiet�w danych i ustawiaj� ich odczekiwanie n liczniki zgodnie z regu�ami DCF w celu uzyskania dost�pu do kana�u, aby przes�a� pakiet NC do w�z��w ko�cowych. Udzia� wielu w�z��w w fazie rywalizacji skutkuje pustymi gniazdami i kolizjami w sieci, zanim ostatecznie zostanie przekazany w�ze� udaje si� pomy�lnie przes�a� zakodowany pakiet. Nast�pnie prawid�owy odbi�r zakodowanego pakietu umo�liwia dw�m miejscom docelowym sekwencyjne rozg�aszanie pakiet�w potwierdze� (ACK), ko�cz�c faz� wsp�pracy. Jednak�e, opr�cz kolizji i okres�w bezczynno�ci, wydajno�� protoko�u mo�e r�wnie� ulec pogorszeniu z powodu zanikania (szybkiego lub wolnego) wprowadzonego z uwzgl�dnieniem warunk�w kana�u nieidealnego. W nast�pnej sekcji przedstawiamy kilka informacji na temat modyfikacji, kt�re realistyczna warstwa PHY potencjalnie mo�e wnie�� do dzia�ania protoko�u

Wp�yw warstwy PHY

Uwzgl�dnienie warstwy PHY znacz�co modyfikuje dzia�anie protoko�u. W szczeg�lno�ci poprawne transmisje pakiet�w definiuj� aktywny zestaw przeka�nik�w, wprowadzaj�c koncepcj� wy��czenia w�z�a. St�d w skrajnym przypadku, gdy �aden w�ze� przeka�nikowy nie odebra� obu pakiet�w z A i B, zestaw przeka�nik�w jest wy��czony i faza wsp�pracy ko�czy si� po okre�lonym czasie (TTimeout), kt�ry nie jest brany pod uwag� w systemach, kt�re dzia�aj� w warunkach idealnego kana�u . Z drugiej strony, redukcja aktywnego zestawu przeka�nik�w z powodu nieudanych odbioru pakiet�w mo�e by� korzystna w sieciach z wieloma przeka�nikami, poniewa� mniejsza liczba aktywnych przeka�nik�w prowadzi�aby do ni�szego prawdopodobie�stwa kolizji pakiet�w w sieci. W zwi�zku z tym wy�ej wymienione kwestie podkre�laj� konieczno�� projektowania dok�adnych modeli mi�dzywarstwowych, kt�re uwzgl�dniaj� dzia�anie protoko�u w realistycznych warunkach. Je�li chodzi o jasno��, zbadajmy krok po kroku przyk�ad operacyjny. Pocz�tkowo w�ze� A przesy�a pakiet a do w�z�a B, a przeka�niki pods�uchuj� transmisj�, ale tylko przeka�niki R1 i R2 otrzymuj� poprawn� kopi� pakietu. Poniewa� w�ze� B nie odbiera pakietu, przekazuje RFC wraz z pakietem b do przeka�nik�w iw tym przypadku tylko R3 jest w stanie poprawnie demodulowa� pakiet b. Najwyra�niej �aden w�ze� nie odebra� obu pakiet�w, w wyniku czego zestaw przeka�nikowy zosta� uznany za przestarza�y. Po okre�lonym czasie oczekiwania w�ze� A ponownie przesy�a pakiet i tym razem R1 i R3 poprawnie odbieraj� pakiet. Podobnie jak w poprzedniej rundzie, w�ze� B nadaje pakiet b po��czony z RFC i wszystkie przeka�niki s� w stanie wyodr�bni� te informacje. Aktywny zestaw przeka�nik�w zawiera jednak tylko R1 i R3, poniewa� s� to jedyne w�z�y z obydwoma oryginalnymi pakietami w swoich buforach. W tym konkretnym przyk�adzie R1 ustawia sw�j licznik cofania na 2, podczas gdy R3 wybiera warto�� 3. Jako wynik, po dw�ch szczelinach, R1 transmituje pakiet zakodowany w sieci do w�z��w ko�cowych, kt�re potwierdzaj� prawid�owy odbi�r pakietu, ko�cz�c faza wsp�pracy. Dlatego, jak ju� wspomnieli�my powy�ej i na podstawie przyk�adu, przyj�cie realistycznej warstwy PHY mo�e by� korzystne lub szkodliwe dla rzeczywistej wydajno�ci protoko�u MAC. W szczeg�lno�ci, gdy wszystkie przeka�niki s� wy��czone, wyst�puje dodatkowy narzut z powodu przekroczenia limitu czasu, a ca�y okres komunikacji mo�e spowodowa� brak wymiany danych. Z drugiej strony, w topologiach z wieloma przeka�nikami, realistyczne za�o�enie warstwy PHY mog�oby zmniejszy� aktywny zestaw przeka�nik�w, implikuj�c mniejsze prawdopodobie�stwo kolizji mi�dzy stacjami zadowolenia. Aby poradzi� sobie z tymi problemami, w poni�szej sekcji oceniamy rzeczywist� wydajno�� NCCARQ w realistycznych skorelowanych warunkach cieniowania.

Ocena wydajno�ci

Aby oceni� wydajno�� protoko��w MAC sterowanych NC w realistycznych warunkach warstwy PHY, opracowali�my symulator C ++ sterowany zdarzeniami, kt�ry implementuje regu�y NCCARQ wraz z modelem kana�u. W tej sekcji przedstawiamy konfiguracj� symulacji i wyniki naszych eksperyment�w.

Scenariusz symulacji

Rozwa�ana sie�, przedstawiona na rysunku,

sk�ada si� z dw�ch w�z��w (N1 i N2), kt�re uczestnicz� w dwukierunkowej komunikacji bezprzewodowej, oraz n w�z��w przeka�nikowych (R), kt�re przyczyniaj� si� do wymiany danych. Na tej samej figurze pod�wietlona jest korelacja cienia mi�dzy r�nymi ogniwami, a bliskie s�siedztwo przeka�nik�w oznacza, �e: (i) dowolna para N₁ → R_i N₁ → Ri, ��cza s� r�wnie skorelowane ze wsp�czynnikiem korelacji ρ ₁; (ii) dowolna para N₂ → R_i N₂ → R_i) ��cza s� r�wnie� w r�wnym stopniu skorelowane ze wsp�czynnikiem korelacji ?2; oraz (iii) pary ��czy N₁ → R_i N₂ → R_i s� niezale�ne, co jest rozs�dnym za�o�eniem zgodnie z odniesieniami do pomiar�w. Ponadto przyjmujemy symetryczn� topologi� sieci z ρ ₁ = ρ ₂ = ρ. Parametry warstwy MAC zosta�y wybrane zgodnie ze standardem IEEE 802.11g. W szczeg�lno�ci, pocz�tkowe okno rywalizacji (CW) dla wszystkich w�z��w wynosi 32, narzut nag��wka MAC wynosi 34 bajty, podczas gdy czas zastosowania NC do pakiet�w danych jest uwa�any za nieistotny, poniewa� kodowanie odbywa si� tylko mi�dzy dwoma pakietami. Rozwa�amy r�wnie� przedzia�y czasowe, interwa�y SIFS, DIFS i limity czasu wynosz�ce odpowiednio 20, 10, 50 i 80 ?s. Ponadto, w oparciu o prace Eberta i in. na zu�ycie energii interfejsu bezprzewodowego wybrali�my nast�puj�ce poziomy mocy dla naszych scenariuszy: P_Tx = 1900 mW i P_Rx = P_idle = 1340 mW. Je�li chodzi o parametry warstwy PHY, ustawili�my pr�g niezawodno�ci ?* = 16.14dB, kt�ry odpowiada docelowemu APER 10^-1. Ponadto zak�adamy stosunkowo s�abe bezpo�rednie po��czenie N₁ ? ₁ w odniesieniu do progu SNR ?*, aby uruchomi� wsp�prac� i skupi� nasze badania na wp�ywie skorelowanego cieniowania. W tym celu rozwa�amy r�wnie� dwa r�ne przypadki dla po��cze� N₁ → R_i, N₁ → R: (i) scenariusz, w kt�rym �redni SNR w ��czach kooperacyjnych jest ni�szy ni� ?* , i (ii) scenariusz, w kt�rym �redni SNR w ��czach kooperacyjnych jest wy�szy ni� ?*

Wyniki symulacji Rysunek

przedstawia �redni� liczb� aktywnych przeka�nik�w dla r�nych warto�ci odchylenia standardowego cienia ?, przy za�o�eniu silnych powi�za� mi�dzy w�z�ami ko�cowymi N1, N2) i przeka�nikami (R_i), to znaczy . Na tym wykresie uwzgl�dniamy r�n� ca�kowit� liczb� przeka�nik�w i r�ne wskazane warto�ci dla wsp�czynnika skorelowanego (ρ), wyprowadzaj�c dwa wa�ne wnioski. Po pierwsze, eksperymenty pokazuj�, �e �rednia liczba aktywnych przeka�nik�w jest niezale�na od korelacji cieni mi�dzy ��czami bezprzewodowymi . Druga wa�na uwaga dotyczy negatywnego wp�ywu ? na liczb� aktywnych przeka�nik�w. W tym konkretnym scenariuszu, gdzie �rednia warto�� SNR jest powy�ej progu ?*, wariacja cienia ma szkodliw� rol� w komunikacji. W rezultacie wy�sze warto�ci ? zmniejszaj� oczekiwany rozmiar aktywnego zestawu przeka�nik�w, ograniczaj�c w ten spos�b korzy�ci wynikaj�ce ze wsp�pracy. Rysunek poni�szy

ilustruje wyniki symulacji dla prawdopodobie�stwa wy��czenia sieci (tj. prawdopodobie�stwo, �e �aden z przeka�nik�w nie otrzyma obu oryginalnych pakiet�w) dla r�nych czynnik�w korelacji (ρ) i liczby przeka�nik�w (n). Wp�yw korelacji cienia na system jest wyra�nie pokazany na rysunku, poniewa� wysokie warto�ci ? powoduj� prawie identyczne prawdopodobie�stwo wy��czenia dla sieci niezale�nie od n, uniewa�niaj�c zalety rozproszonej wsp�pracy. Z drugiej strony, niezale�ne ��cza bezprzewodowe (ρ=0) wykorzystuj� r�norodno�� oferowan� przez przeka�niki, znacznie zmniejszaj�c prawdopodobie�stwo wy��czenia, gdy ca�kowita liczba przeka�nik�w w systemie wzrasta (np. n = 5). Ponadto, podobnie jak w poprzednim przypadku, gdzie badano oczekiwany aktywny zestaw przeka�nik�w, odchylenie cienia pogarsza wydajno�� systemu, zwi�kszaj�c prawdopodobie�stwo braku aktywnego przeka�nika w systemie. Jednak nawet dla wysokich warto�ci σ wsp�czynnik ρ okre�la i wyznacza granice korzy�ci, kt�re mo�na osi�gn�� w scenariuszach wsp�pracy. Na rysunkach

badamy wp�yw odchylenia standardowego cieniowania (σ) na przepustowo�� sieci dla r�nych liczb w�z��w przeka�nikowych (n). W szczeg�lno�ci, pierwszy rysunek odpowiada przypadkowi, w kt�rym �rednia warto�� redniego SNR mi�dzy w�z�ami ko�cowymi a przeka�nikami jest poni�ej progu dekodowania niezawodno�ci SNR, a w konsekwencji �rednia przepustowo�� wzrasta wraz z σ, poniewa� nie jest mo�liwe osi�gni�cie udana komunikacja bez przypadkowych waha� wprowadzonych przez cieniowanie. Z drugiej strony, drugi rysunek interesuje nas wydajno�� przepustowo�ci sieci w scenariuszu, w kt�rym �rednia warto�� SNR przekracza pr�g niezawodno�ci. W tym konkretnym przypadku komunikacja bezprzewodowa by�aby zawsze skuteczna bez cienia losowych fluktuacji, a zatem przes�anianie jest szkodliwe dla systemu, poniewa� wprowadza wiele zdarze�, w kt�rych odebrany SNR jest poni�ej progu ?*. W obu studiach przypadk�w podkre�lamy dwie wa�ne uwagi dotycz�ce przepustowo�ci sieci: (i) wsp�praca rozproszona jest korzystna, poniewa� przepustowo�� wzrasta wraz z liczb� dost�pnych przeka�nik�w (n), oraz (ii) korelacja cienia jest szkodliwa dla potencjalnego wzmocnienia wprowadzonego przez wsp�prac�. W szczeg�lno�ci rozproszona wsp�praca wydaje si� by� bezu�yteczna w przypadku wysokich wsp�czynnik�w skorelowanych ( ρ → 1), poniewa� wszystkie przeka�niki do�wiadczaj� bardzo podobnych t�umienno�ci cieniowania, a przepustowo�� zmniejsza si� do sieci pojedynczego przeka�nika. Wynik ten jest wa�ny dla projektowania sieci, gdzie koszty wdro�enia (Capital Expenditure - CapEx) wielu przeka�nik�w nie mog� zosta� pomini�te. Dlatego te�, bior�c pod uwag� rzeczywiste warunki propagacji, w kt�rych sie� ma by� wdro�ona i dzia�a (tj. maj�c oszacowanie parametr�w cieniowania σ i ρ), jeste�my w stanie wybra� najlepsz� (minimaln�) liczb� przeka�nik�w, kt�re osi�gaj� po��dan� wydajno��, a tak�e najbardziej odpowiednie rozmieszczenie przeka�nik�w dla topologii sieci ze sta�ymi stacjami przeka�nikowymi. Jednak minimalizacja nak�ad�w inwestycyjnych nie oznacza optymalnych wydatk�w operacyjnych (OpEx) dla sieci. W tym celu nale�y r�wnie� zbada� efektywno�� energetyczn� w sieci, poniewa� zu�ycie energii by�o spraw� najwy�szej wagi dla operator�w w celu obni�enia ich koszt�w i zapewnienia "zielonych" us�ug u�ytkownikom mobilnym. Poni�sze Rysunki

przedstawiaj� odpowiednio efektywno�� energetyczn� sieci dla i , ujawniaj�c intryguj�ce aspekty problemu. Na pierwszym rysunku obserwujemy, �e efektywno�� energetyczna w sieciach wieloprzeka�nikowych maleje wraz ze wzrostem korelacji mi�dzy ��czami .Wynik ten mo�na intuicyjnie wyja�ni� faktem, �e liczba przeka�nik�w nie wp�ywa na wydajno�� systemu w wysoce skorelowanych linkach, a zatem rozmieszczenie wielu przeka�nik�w w sieci wp�ywa na OpEx systemu bez zapewnienia lepszego QoS. Rysunek drugi jest jeszcze bardziej imponuj�cy, poniewa� ujawnia znacz�cy kompromis mi�dzy przepustowo�ci� systemu a efektywno�ci� energetyczn�. W szczeg�lno�ci, chocia� wsp�praca rozproszona zapewnia znaczny wzrost przepustowo�ci dla scenariuszy wysokiego SNR), ma negatywny wp�yw na efektywno�� energetyczn�, zmniejszaj�c j� nawet o 100% w okre�lonych warunkach. Fakt ten mo�na wyja�ni� bior�c pod uwag� wysok� przepustowo�� (12 Mb / s) osi�gni�t� w sieciach jednoprzeka�nikowych w dobrych warunkach kana�owych. Wsp�praca mo�e zwi�kszy� t� wydajno�� do 18 Mb / s, ale zagregowane zu�ycie energii wielu przeka�nik�w w sieci powoduje znaczne zmniejszenie ca�kowitej efektywno�ci energetycznej. Te powi�zane ze sob� wyniki mog� zosta� wykorzystane przez projektant�w sieci do okre�lenia optymalnej topologii sieci i najbardziej efektywnego rozmieszczenia przeka�nik�w w sieciach kooperacyjnych, z uwzgl�dnieniem ich �wiadczonych us�ug wraz z oczekiwanymi wydatkami.

Wnioski

W tej cz�ci om�wili�my scenariusze wsp�pracy w sieciach nast�pnej generacji i dok�adnie zbadali�my wp�yw realistycznej warstwy PHY i warunk�w kana�u na wydajno�� dwukierunkowych protoko��w kooperatywnego MAC ARQ. Jako studium przypadku zbadali�my wydajno�� NCCARQ, protoko�u MAC dla sieci bezprzewodowych, kt�ry wykorzystuje NC i rozproszon� wsp�prac� w scenariuszach komunikacji dwukierunkowej. Ocena wydajno�ci protoko�u ujawni�a znacz�ce kompromisy mi�dzy osi�gni�t� przepustowo�ci� a efektywno�ci� energetyczn� w sie�. Nasze wyniki wyra�nie pokazuj�, jak wa�ne jest rozwa�enie realistycznych modeli kana��w dla rzetelnego projektowania i analizy wsp�pracuj�cych protoko��w MAC, motywuj�c operator�w do uwzgl�dnienia nie ergodycznego przestrzennie skorelowanego cieniowania w celu optymalnego wdro�enia sieci i umieszczenia przeka�nika w sieciach nowej generacji.

Technologia 5GZab�jca czy Przyjaciel?

Wsp�praca dla sieci bezprzewodowych nowej generacji