ОБЗОР MESH-ТЕХНОЛОГИИ И АНАЛИЗ РЕШЕНИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНОГО РЕСУРСА В MESH-СЕТЯХ

В последнее десятилетие беспроводные широкополосные сети на основе технологии Wi-Fi получили очень широкое распространение. Существуют различные типы беспроводных сетей на основе стандарта IEEE 802.11, которые отличаются радиусом действия, поддерживаемыми скоростями соединения, технологией кодирования данных и другими показателями, однако наиболее многообещающей и перспективной является спецификация 802.11s, которая описывает технологию mesh-сетей.

Mesh-сеть – это многошаговая, ячеистая сеть, где организация связи происходит с помощью какого-либо беспроводного стандарта связи и узлы которой наделены функциями маршрутизатора. Особенность таких сетей состоит в том, что для передачи пакетов может быть использовано несколько маршрутов (рисунок 1), соответственно обеспечивается очень высокая отказоустойчивость, а в случае перегрузки одного из узлов, пакеты могут быть перенаправлены по другому маршруту.

Рисунок 1. Пример Mesh топологии

Mesh топология основана на децентрализованной схеме организации сети [1]. Точки доступа, работающие в mesh-сетях, не только предоставляют услуги абонентского доступа, но и выполняют функции маршрутизаторов/ретрансляторов для других точек доступа той же сети. Благодаря этому появляется возможность создания самоорганизующегося и самовосстанавливающегося сегмента широкополосной сети.

Mesh-сети строятся как совокупность кластеров – коллизионных доменов (рисунок 2). В одном коллизионном домене размещается определенное количество mesh-станций (точек доступа), к которым подключаются пользователи. Среди точек доступа одна является узловой. Узловые точки подключаются к магистральному информационному каналу (с помощью кабеля или по радиоканалу), а также соединяются между собой по транспортному каналу. Особенностью mesh-сетей является использование специальных протоколов, позволяющих каждой mesh-станции создавать таблицы абонентов сети с контролем состояния транспортного канала и поддержкой динамической маршрутизации трафика по оптимальному маршруту между соседними точками. При отказе какой-либо из них происходит автоматическое перенаправление трафика по другому маршруту.

Рисунок 2. Структурная схема mesh-сети

Организация управления mesh-сетями является сложной задачей, поскольку управление сетью сводится к управлению разного рода ресурсов, которые имеют взаимное влияние на работоспособность сети в целом, а именно:

- управление частотным ресурсом;

- управление мощностью передатчиков mesh-станций;

- управление сетевым ресурсом (трафиком).

Соответственно для организации эффективной работы mesh-сети требуется учитывать все виды ресурсов, но поскольку в комплексе эта задача достаточно сложная, то более практичным подходом является обеспечение управления отдельными видами ресурсов, и в рамках данной статьи рассмотрены методы распределения неперекрывающихся частотных каналов (ЧК) между радиоинтерфейсами (РИ) mesh-станций, то есть затронут вопрос управления частотным ресурсом. Требуется отметить, что mesh-сети имеют некоторые режимы работы, и в данной статье акцентируется внимание на механизме, основанному на использовании многоканального многоинтерфейсного режима построения и функционирования mesh-сетей (Multi-radio Multi-channel Wireless Mesh Networks, MR-MC WMN). Особенностью таких сетей является наличие на каждой mesh-станции нескольких РИ, которые работают каждый на своем ЧК, полосы частот которых не перекрываются.

На сегодняшний день известно достаточно большое количество методов к решению задачи распределения частотных каналов (C-Hyacinth, CoMTaC и др.), однако каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки (отсутствие согласованности в решении подзадач кластеризации, закрепление РИ и выделение им соответствующих ЧК, а также недостаточный учет аппаратурных и технологических особенностей построения MR-MC WMN стандарта IEEE 802.11, территориальной удаленности и активности mesh-станций и др.). Методы распределения ЧК описываются математическими моделями – совокупностью условий ограничений, которые обеспечивают экстремум заранее выбранной целевой функции – критерия оптимальности. Важно понимать, что эффективность решения задачи распределения ЧК определяется полнотой учета требований, описываемой математической моделью, а также выбором целевой функции.

Критерий оптимальности направлен на выполнение заранее предъявляемых требований к решению задачи, например: минимизация уровня интерференции, обеспечение максимальной масштабируемости сети, повышение уровня связности mesh-сети, минимизация количества активных двунаправленных соединений между mesh-станциями, балансировка числа mesh-станций по создаваемым зонам (кластерам), в которых mesh-станции работают на одном и том же частотном канале. Например, в работе [2] проводится сравнительный анализ двух критериев оптимальности, один из которых, обеспечивает минимизацию числа mesh-станций в кластере, что обуславливает повышение производительности mesh-сети в целом. Однако в связи с тем, что не учтен характер и направленность циркулирующего трафика, однозначно констатировать, что этот критерий оптимальности обеспечивает наилучшую производительность, трудно.

Также стоит отметить, что основная часть работ, посвященная проблеме распределения частотных каналов направлено на разработку универсальных схем назначение каналов, что приводит к высокой сложности алгоритмов, усложняет их практическую реализацию, снижает эффективность. А более эффективными являются подходы, ориентированные на конкретный сценарий использования mesh-сети.

Таким образом, построение mesh-сетей является перспективным направлением, однако для развития данной технологии требуется комплексное решение ряда сложных задач. Невысокая стоимость оборудования, интеграция различных сетевых технологий, высокая отказоустойчивость, самоорганизация, независимость в использовании и возможность быстрого развертывания являются ключевыми факторами, определяющими актуальность развития mesh-сетей.

Список литературы:

1. Осипов, И.Е. Mesh-сети: технологии, приложение, оборудование. – Режим доступа: http://www.dateline.ru/resources/mesh-osipov.pdf.
2. Сравнительный анализ критериев оптимальности распределения частотных каналов в mesh-сети IEEE 802.11 / С.В. Гаркуша, Е.В. Гаркуша // Системы управления навигации и связи. – 2012. – Вып. 4(24) – С. 125–131.