Μελέτη και αποτίµηση σχηµάτων παροχής δικαιοσύνης σε κινητά ευρυζωνικά ασύρµατα δίκτυα τύπου WiMAX

Abstract

Τα WiMAX (Worldwide interoperability for Microwave Access) δίκτυα παρέχουν ασύρµατη ευρυζωνική πρόσβαση στο διαδίκτυο, διαλειτουργικότητα µεταξύ των προµηθευτών της τεχνολογίας, ενώ παράλληλα χαµηλώνουν το φράγµα εισόδου στις κινητές τηλεπικοινωνίες, προσφέροντας υπηρεσίες συγκρίσιµες µε αυτές της ανερχόµενης τεχνολογίας 4G. Ωστόσο, το πρότυπο IEEE 802.16e γνωστό και ως κινητό (mobile) WiMAX, δεν τυποποιεί µηχανισµούς παροχής δικαιοσύνης και είναι πολύ πιθανό η ανάθεση του εύρους ζώνης στους συνδεδεµένους συνδροµητές να µην είναι δίκαιη ή σύµφωνη µε κάποιο συµβόλαιο (Service Level Agreement – SLA). Από τη στιγµή που δεν έχει οριστεί κάποιος συγκεκριµένος αλγόριθµος παροχής δικαιοσύνης, κάθε φορέας που θα χρησιµοποιήσει το πρότυπο για την παροχή υπηρεσιών ευρυζωνικής ασύρµατης πρόσβασης στο διαδίκτυο είναι ελεύθερος να επιλέξει αλγόριθµο. Γι' αυτό το λόγο έχουν γίνει πολλές µελέτες και έχουν προταθεί από πολλές οµάδες διαφορετικοί αλγόριθµοι παροχής δικαιοσύνης. Η παρούσα διπλωµατική εργασία έχει ως σκοπό τη µελέτη και υλοποίηση αλγορίθµων παροχής δικαιοσύνης, µε στόχο την καλύτερη αξιοποίηση των πόρων του υποπλαισίου της κατερχόµενης ζεύξης των σταθµών βάσεων σε Mobile WiMAX δίκτυα. Ειδικότερα, στο πλαίσιο εκπόνησης της παρούσας διπλωµατικής εργασίας πραγµατοποιείται εκτενής βιβλιογραφική µελέτη των δικτύων WiMAX. Αρχίζοντας γενικά από τις ασύρµατες επικοινωνίες και τις πρώτες ασύρµατες τεχνολογίες που χρησιµοποιήθηκαν ή χρησιµοποιούνται, µέχρι και την ανάπτυξη των προτύπων WiMAX. Αναλύονται τα χαρακτηριστικά και οι καινοτοµίες της συγκεκριµένης τεχνολογίας, όπως: προσαρµοστική διαµόρφωση, πολυπλεξία OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), πολλαπλή πρόσβαση OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) και SOFDMA (Scalable Orthogonal Division Multiple Access), τεχνικές TDD-FDD (Time Division Duplexing, Frequency Division Duplexing). Αναλύεται η ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service - QoS) που µπορεί να προσφέρει το WiMAX µε έµφαση στο στρώµα MAC (Service Flows). Παρουσιάζεται η τρέχουσα έρευνα σε θέµατα αρχιτεκτονικών εξασφάλισης ποιότητας υπηρεσίας (Integrated Services - IntServ, Differentiated Services - DiffServ) στο διαδίκτυο και ο συνδυασµός τους µε το WiMAX στη διασφάλιση εγγυηµένης ποιότητας υπηρεσιών δικτύου (UGS, rtPS, ErtPS, nrtPS, BE) από άκρο σε άκρο. Τέλος, µελετώνται και αναλύονται µέσω παραδειγµάτων σχήµατα παροχής δικαιοσύνης σε Mobile WiMAX δίκτυα, καθώς και µέσω προσοµοίωσής τους συγκρίνονται οι επιδόσεις τους σε θέµατα αποδοτικότητας και καθυστέρησης αιτήσεων.

WiMAX (Worldwide interoperability for Microwave Access) networks provide wireless broadband internet access, interoperability among the suppliers of the technology, while decrease the entrance barrier in mobile communications, offering services comparable to those of the emerging 4G technology. However, the standard IEEE 802.16e, also known as Mobile WiMAX, doesn’t standardize fairness mechanisms and is likely that the assignment of bandwidth to the connected subscribers will not be fair or in accordance with the Service Level Agreement (SLA). Since no particular fairness scheme has been proposed, allowing every provider that will use the standard to provide wireless broadband internet access to choose their own algorithm. For this reason several different fairness schemes can be found in the literature. This thesis aims to study and simulate fairness schemes, which have as goal to better handle the resource allocations of the base stations downlink subframe in Mobile WiMAX networks. In particular, an extensive literature study is carried out on WiMAX networks. The study starts from wireless communications and the first wireless technologies that have been used or are being used, up until the development of the WiMAX standards. Furthermore, the characteristics and the innovations of the specific technology (WiMAX) are being analyzed such as: Adaptive Modulation, Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), Scalable Orthogonal Division Multiple Access (SOFDMA) and the TDD-FDD (Time Division Duplexing, Frequency Division Duplexing) techniques. Moreover, the Quality of Service (QoS) which can be provided by WiMAX is analyzed with emphasis on the MAC layer (Service Flows). In addition, the current research on topics of architectures that guarantee QoS (Integrated Services - IntServ, Differentiated Services - DiffServ) on the Internet is presented and their incorporation into the WiMAX standard, result in ensuring quality of service in a WiMAX network (UGS, rtPS, ErtPS, nrtPS, BE). Finally, some fairness schemes of the Mobile WiMAX are being studied and analyzed, and by means of simulation their efficiency and delay is being compared and evaluated.