Sakaru Pasaule - Žurnāls par
modernām komunikācijām

  
  


Atpakaļ Jaunais numurs Arhīvs Par mums Meklēšana

Bezvadu režģtīkli – nenovēršama brīvības epidēmija

   

Bezvadu režģtīkli

 

Pašreizējie pirmās paaudzes bezvadu tīkli tika izstrādāti tikai tāpēc, lai nomainītu kabeļu infrastruktūru, atbrīvotu mājas un birojus no vadu mudžekļiem. Taču bezvadu savienojumiem ir arī citas priekšrocības. Ja nav nekādu ierobežojumu, kas liek izmantot kabeļu infrastruktūru, tad lietojuma iespēju un arī savienojumu skaits pieaug eksponenciāli un - nenovēršami.

 

Efektīvs problēmas risinājums

Bezvadu tīkliem, kas paredzēti lielām korporatīvām vidēm, ir būtisks trūkums – šaurās vietas efekts, kas parādās, izmantojot daudz pieejas punktu, un gadījumos, kad vienam punktam pieslēgts daudz klientu. Tas izpaužas kā pēkšņs tīkla caurlaides spējas kritums, pat ja ir pietiekami plats ārējais kanāls, kas savieno iekšējo tīklu ar ārējo pasauli. Tas notiek tāpēc, ka pieejas punkti veido sadalītu vidi, kurā noteiktā brīdī datu pārraidi var veikt tikai viens no viņiem. Informācijas apmaiņas ātruma samazināšanās ir kritiska jebkuram lietotājam, vēl jo vairāk – korporācijai. Tāpēc, lai nodrošinātu efektīvu tīkla darbību, ir jāizmanto viltīgāki paņēmieni. Lai risinātu šo problēmu, tiek izmantoti režģtīkli (wireless mesh networks), ko sauc arī par daudzmezglu (multi hop) tīkliem.

Par daudzmezglu tīklu (tikai ar kabeļiem) var uzskatīt interneta tīklu, jo tajā tāpat kā bezvadu režģtīklā elektroniskā pasta sūtījumi netiek nosūtīti tieši adresātam, bet atkarībā no tīkla noslodzes no viena servera uz citu pa iespējami efektīvāko maršrutu.

Izšķir šādus bezvadu tīklu veidus:

·         punkta - punkta (point-to-point; PP) tīkls;

·         punkta – daudzpunktu (point-to-multipoint; PMP) tīkls;

·         jebkura punkta – daudzpunktu (anypoint-to-multipoint; AP-MP) tīkls;

·         režģtīkls (mesh network) vai daudzpunktu - daudzpunktu (multipoint-to-multipoint), ar šādiem apakštipiem:

- virziena režģtīkls (directional mesh) vai vairākvirzienu režģtīkls (multi-directional mesh);

- visvirzienu režģtīkls (omni-directional mesh).

 

Režģtīkla topoloģijas un vienmezgla tīkli

Režģtīklu topoloģijas tīklos ir iekļauti elastīgi arhitektūras risinājumi efektīvākai datu apmaiņai starp dažādām ierīcēm. Lai izprastu šo tīklu priekšrocības, salīdzināsim tos ar vienmezgla tīkliem.

Tradicionālajos bezvadu LAN (Local Area Network) tīklos vairāki klienti tiek pievienoti tīklam pa tiešu bezvadu savienojumu ar pieejas punktu - PP vai PMP. Šādi tīkli tiek saukti par vienmezgla tīkliem. Daudzmezglu tīklā jebkura ierīce ar bezvadu tīkla iespējām var būt gan maršrutētājs, gan pieejas punkts. Ja tuvākais pieejas punkts ir pārslogots, dati tiek pārsūtīti uz tuvāko nenoslogoto mezglu. Datu bloks turpina pārvietoties no viena mezgla pie cita, kamēr sasniedz adresātu.

Turklāt tīkla procesors, loģika un bezvadu saskarne (interface) ir apkopota katrā tīkla mezglā-dalībniekā, tāpēc nav nepieciešama centralizēta komutācija. Citiem vārdiem, režģveida topoloģija paredz vai nu tiešus sakarus starp to veidojošajiem mezgliem, vai tranzīta datu nodošanu starp avotu un saņēmēju. Tātad, pirms sākt datu apmaiņu, katram mezglam ir jānolemj, vai tas pildīs pieejas punkta funkcijas, kalpos par tranzīta ierīci vai spēlēs abas lomas. Tālāk individuālie mezgli nosaka savus kaimiņus, izmantojot vaicājuma/atbildes tipa protokolu. Pēc atpazīšanas procedūras mezgli nosaka komunikācijas kanālu raksturlielumus: uztvertā signāla stiprumu, caurlaides spēju, aizturi un kļūdu biežumu. Mezgli apmainās ar savākto informāciju, un, pamatojoties uz to, katrs izvēlas labāko komunikācijas maršrutu ar kaimiņiem.

Jāatzīmē, ka telpas sadalīšana ir vēl viena režģtīkla topoloģijas priekšrocība salīdzinājumā ar vienmezgla tīkliem, kurā visas ierīces kopīgi izmanto vienu pieejas punktu. Ja vairākas ierīces vienlaikus mēģina izmantot tīklu, var rasties virtuāli sastrēgumi, kas palēnina darbu. Režģveida topoloģijas tīklos daudzas ierīces var pieslēgties vienlaikus, izmantojot dažādus mezglus, turklāt tīkla veiktspējai nav obligāti jāpasliktinās. Daudz īsākie datu pārraides attālumi režģveida topoloģijas tīklos ļauj samazināt trokšņu ietekmi un veikt vienlaicīgu telpā atdalītu informācijas plūsmu pārraidi.

No tīklu topoloģijas viedokļa tie ir viena ranga bezvadu tīkli, kuri balstīti uz vienāda ranga (peer-to-peer) arhitektūru, kas ļauj katrai ar bezvadu sensoriem aprīkotai gala ierīcei pievienoties un atvienoties no tiem, neizjaucot kopējo tīkla darbību. Katra bezvadu ierīce ne tikai uztver un pārraida savu trafiku, bet arī maršrutē un pārvada caur sevi citu ierīču, kas ietilps pavedienā, trafiku. Ar šo īpašību režģtīkli līdzinās interneta tīklam. Pirmie šīs tehnoloģijas lietotāji ir dažādi sabiedriskie un glābšanas dienesti – policijas vai ugunsdzēsēju mašīnas, kas aprīkotas ar bezvadu sensoriem, vienmēr ir pieslēgtas režģtīklam. Šādu tīklu ērtums ir pierādīts praksē.

Labākā maršruta atrašana un izvēle notiek fona režīmā, jo katram mezglam ir pieejams aktuālais kaimiņu saraksts. Ja kāds no mezgliem nav pieejams tādu vai citādu iemeslu dēļ, mezgla kaimiņi var ātri rekonfigurēt savas tabulas un aprēķināt jaunu optimālo maršrutu. Paškonfigurēšanās un pašatjaunošanās spēja režģveida tīkliem nodrošina augstu drošuma pakāpi. Bezvadu režģtīkli var sastāvēt no simtiem vai pat tūkstošiem mezglu, kas ļauj tos viegli paplašināt un nodrošināt nepieciešamo redundanci. Daudzo datu nogādes maršrutu izmantošana palielina caurlaides spēju un paaugstina savienojuma varbūtību P starp jebkuriem režģtīkla gala lietotājiem.

Ja tiek uzdota savienojuma varbūtība p starp diviem punktiem PP vai PMT tīklā, tad savienojuma varbūtība P starp jebkuriem gala lietotājiem režģtīklā, kas sastāv no n gala lietotājiem, būs: P = 1 – (1 – p ).

Ieguvums (mesh benefit) n = 10 un 50 mezgliem režģtīklā attēlots zīmējumā.

Tā ir arhitektūra starp PMP un režģtīklu. Līdzīgi kā režģis (mesh) katrs mezgls (node) var maršrutēt trafiku blakus mezgliem, kā arī kalpot par pieejas punktu (access point) jebkuram jaunam mezglam tīklā. Līdzīgi PMP katrs mezgls (node) var nodrošināt savienojumu ar konkrētu tīkla pieejas punktu (access point). Tas ļauj jaunam mezglam pievienoties tīklam, izmantojot virziena antenu.

Atkarībā no konkrētā uzdevuma tīkla topoloģijā mezgli var pildīt dažādas lomas:

·         root – sakne: AP-MP tīklos nodrošina pieeju globālajam interneta tīklam;

·         branch (Bx) – zars: mezgls, kas nodrošina pieeju gan pie citiem zara mezgliem (Bx), gan pie gala lietotājiem leaf (Lx);

·         leaf (Lx) – lapa: gala lietotāju mezgli.

 

Visvirzienu režģtīkls

Topoloģija, kurā centrālajam mezglam (backhaul connection point) ir visvirziena (omni-directional) antena. Šajā gadījumā gala lietotāja terminālam nav nepieciešams tiešs savienojums ar backhaul, jo var iegūt pieeju centrālajam mezglam (backhaul connection point) caur jebkuru tuvāko kaimiņu savā lokālajā mesh tīklā.

 

Virziena režģtīkls

Šajā gadījumā centrālajam mezglam (backhaul connection point) ir vairākas virziena antenas, kuru azimuta novietojumu nosaka konkrēto mezglu (20-25) atrašanās vieta, katrs no kuriem nodrošina konkrēta mesh tīkla gala lietotāju grupas darbību. Omni-directional un directional mesh topoloģijas ir līdzīgas. Atšķiras tikai vērsuma diagrammas formāts: vērsta vai visvirziena.

Mesh tīklu priekšrocība ir tā, ka katrs mezgls savienots tikai ar blakus mezgliem, nevis ar attālināto pieejas punktu vai bāzes staciju, kas ļauj veikt pārraidi ar daudz mazāku jaudu, ekonomējot frekvenču resursu, un darīt to daudz lielākā ātrumā, jo bezvadu tīklos pārraides ātrums ir apgriezti proporcionāls attālumam. Še tīkli ir arī drošāki, jo dod iespēju ātri izvēlēties citu datu pārraides maršrutu, ja kāds mezgls iziet no ierindas.

 

Drošums
Tīkli ar režģa arhitektūru ir drošāki, nekā viena mezgla tīkli, jo to darbība nav atkarīga no vienīgā mezgla veiktspējas. Viena mezgla tīklā viena pieejas punkta atteikums noved pie visa tīkla darbības pārtraukuma. Tīklos ar režģa topoloģiju blakus mezgla atteikuma vai traucējumu gadījumā tīkls turpinās funkcionēt – dati tiks sūtīti pa alternatīvu maršrutu.


Augstāka caurlaides spēja

Viens no veidiem, kā paaugstināt caurlaides spēju, ir sūtīt datus caur vairākiem mezgliem, kas atrodas nelielā attālumā. Tāds mehānisms tiek realizēts tīklos ar režģa topoloģiju.

 

Telpas sadalījums

Kā jau agrāk tika minēts, viena mezgla tīklā visas ierīces izmanto vienu un to pašu pieejas punktu. Ja vairākas ierīces vienlaikus mēģina izmantot tīklu, var rasties virtuāli sastrēgumi, kas palēnina darbu. Pretstatā tam, tīklos ar režģveida topoloģiju daudzas ierīces var pieslēgties vienlaikus, izmantojot dažādus mezglus, turklāt tīkla caurlaides spējai nav jāsamazinās. Īsākie datu pārraides attālumi tīklos ar režģa topoloģiju ļauj samazināt trokšņu ietekmi un veikt vienlaicīgu telpā atdalītu datu plūsmu pārraidi.

 

Adaptācija

Darba gaitā katrs mezgls noteiktā frekvencē atkārtoti izskaitļo optimālāko maršrutu, ņemot vērā: uztveramo signālu intensivitāti, trafika apjomu, pārraides ātrumu, kļūdu biežumu un laika aizturi.

Kad režģveida tīklam tiek pievienots jauns piekļuves punkts, tīkls automātiski noskaņo savus parametrus. Tīkla mezgli atpazīst jaunpienācēju un automātiski pārkonfigurē tīkla maršrutēšanu, ņemot vērā jaunos mezglus.

Pastāvīga tīkla funkcionēšanas efektivitātes kontrole, ņemot vērā atsevišķu pieejas punktu atteikumu vai pārslodzi, nodrošina automātisku maršrutēšanas pārkonfigurēšanu izslēdzot no maršrutiem bojātos mezglus. Šī topoloģija paredz patstāvīgu tīkla intelektuālo mezglu konfigurāciju, kas automātiski spēj atpazīt citu mezglu eksistenci.

 

Lietošana

Nav jābrīnās, ka bezvadu režģtīklu izstrādi sākotnēji inicializēja ASV Aizsardzības ministrijas aģentūra DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), un tie tika izstrādāti militārām vajadzībām. ASV armija izmanto režģtīklu tehnoloģijas, organizējot radara datu apmaiņu kaujas laukā starp tankiem un kareivjiem, kā arī gaisa spēkos. ASV Gaisa spēku piedāvātais variants ir atvasināts no kara jūras pētniecības institūta Navy Research Laboratory. Nav ļaunuma bez labuma: šis nav pirmais piemērs tam, kā var veiksmīgi izmantot armijas tehnoloģiju.

Intel darbinieki saskata vismaz četras režģa tehnoloģiju lietošanas perspektīvas. Pirmkārt, tie ir biroja tīkli, kur pavedienu var izmantot ātrai pārklājuma zonas palielināšanai (vajag tikai pievienot tīklam ierīci, kas redzētu vismaz vienu no citām ierīcēm tīklā, tam nav obligāti jābūt pieejas punktam) un tīkla noslodzes balansēšanai. Otrs veids ir pieeja interneta tīklam, izmantojot bezvadu ISP - lietotāji, kas neatrodas galvenā raidītāja darbības zonā var iegūt pieeju tīklam caur citiem lietotājiem. Tehnoloģiju var izmantot ražošanā, lai apvienotu vienotā tīklā atsevišķus raidītājus un kontrolierus. Un visbeidzot, - par visplašākajiem režģtīklu tehnoloģiju izmantošanas veidiem var kļūt mājsaimniecību tīkli, automašīnu sastrēgumu informācija u. c. Par pirmajiem šīs tehnoloģijas lietotājiem jau ir kļuvuši dažādi sabiedriskie un glābšanas dienesti.

 

Standartizācija

Elektrotehnikas un elektronikas inženieru institūts (IEEE) ir sācis pieņemt priekšlikumus par IEEE 802.11s standarta izstrādi. IEEE 802.11s darba grupa izskatīšanai jau ir iesniegti 15 priekšlikumi par standartizāciju. Tiek prognozēts, ka IEEE 802.11s specifikācijas projekts varētu parādīties nākamā gada maijā. Par galvenajiem pretendentiem uz 802.11s standartu tiek uzskatīti dokumenti, ko sagatavojuši divi konsorciji Wi-Mesh Alliance (http://www.wi-mesh.org) un SEEMesh (Simple, Efficient and Extensible Mesh), pirmajā ietilpst tādi lieli spēlētāji kā Intel, Texas Instruments, Nokia, Motorola, salīdzinoši jaunā Firetide, kas specializējas režģtīklu risinājumu izstādē, kā arī vadošais Japānas mobilais operators NTT DoCoMo. Otrā ietilpst Accton Technology, NextHop Technologies, Nortel Networks, Koninklijke Philips Electronics NV, Thomson SA, InterDigital Communications un The Mitre Corporation.

Pēc izpētes kompānijas IDC speciālistu domām, par nākošo lielo soli bezvadu pieejas Wi-Fi attīstībā Rietumeiropā kļūs mesh networking izmantošana. Atšķirībā no ASV, kur šādi tīkli jau sen kļuvuši par normu, Eiropā process tikai sāk attīstīties. Režģtīkli pārsvarā tiek veidoti lielās pilsētās kā alternatīva citiem platjoslas sakaru veidiem. Vispārējai lietošanai Eiropā ir nodoti tikai četri režģtīkli. Lai gan Eiropas bezvadu pieejas operatori vēl nav paziņojuši par globālajiem jauno tehnoloģiju izvēršanas plāniem, IDC analītiķi ir pārliecināti, ka viņi izskata režģtīklu izveides variantus kā jau eksistējošo Wi-Fi komunikāciju paplašinājumu.

 

Vladimirs KARPUHINS

profesors,Dr.habil.sc.ing.,

SIA VERSIJA viceprezidents

 

Literatūra

Wireless Mesh Networks by Gilbert Held. Auerbach Publication, 2005, 160 p.

IEEE Wireless Communications Magazine Special Issue on Wireless Mesh Networking: Theories, Protocols, and Systems Publication: February, 2006

 

 
Design and programming by Anton Alexandrov - 2001