Planowanie i optymalizacja rozmieszczenia punktów dostępu sieci WLAN
standardu IEEE 802.11 w środowisku wewnątrzbudynkowym
W rozprawie modelowano i analizowano sieci WLAN standardu IEEE 802.11 pracujące w paśmie ISM 2.4 GHz. Dla sieci pracujących w tym paśmie przedstawiono szereg wzorów i zależności umożliwiających obliczanie maksymalnej przepustowości sieci WLAN zarówno przy wykorzystaniu modeli prostych, takich jak TUL (Throughput Upper Limit), jak również przy zastosowaniu modeli bardziej rozbudowanych i dokładnych, w tym w szczególności opartych na łańcuchach Markowa i uwzględniających, na przykład statyczny wybór trybu pracy (multi-rate) stacji ST. W celu ograniczenia wpływu technik sterowania przepływem i retransmisją pakietów na przepustowość sieci, w rozprawie rozważano tylko i wyłącznie transmisję danych z protokołem UDP. Tym samym otrzymane przy wykorzystaniu tego protokołu wartości przepustowości sieci WLAN były wartościami największymi z możliwych do osiągnięcia w tego typu sieciach i określały kres górny przepustowości tych sieci WLAN w zadanym środowisku wewnątrzbudynkowym. Wykorzystane w rozprawie wybrane modele propagacyjne, a także model matematyczny przepustowości oraz generator pakietów, system operacyjny czy rodzaj transmisji danych miały przede wszystkim na celu opracowanie i budowę takiego modelu matematycznego sieci WLAN IEEE 802.11 z infrastrukturą, który byłby jak najbliższy rzeczywistości i dla którego rozwiązania zadania planowania i optymalizacji analizowanej sieci Wi-Fi zostałyby, następnie potwierdzone empirycznie w jej testach eksploatacyjnych. W rozprawie do znajdywania najlepszego rozwiązania zadania optymalizacji i planowania sieci WLAN z infrastrukturą zastosowano optymali zację wielokryterialną MOO, która daje możliwość uwzględnienia w zadaniu optymalizacji wielu funkcji kryterialnych oraz otrzymania zbioru rozwiązań niezdomi-nowanych. Trudnością w zastosowaniu optymalizacji wielokryterialnej MOO jest brak znajomości frontu Pareto (P) oraz duża liczba rozwiązań Pareto-optymalnych, które trzeba poddać bardzo szczegółowej analizie zanim wybierze się jedno z nich. Dwa analizowane zestawy funkcji MOO porównano z wynikami uzyskanymi za pomocą
optymalizacji jednokryterialnych SOO opartych na różnych wybranych funkcjach celu. Z otrzymanych wyników utworzono front Pareto, i po zastosowaniu metody MUZ najlepsze wyniki poddano analizie wskaźnikiem efektywności PM . W rozprawie przeprowadzono szereg analiz porównawczych wybranych znanych z literatury -najważniejszych algorytmów optymalizacji OPA (Optimisation Algorithm), umożliwiających nie tylko wybór liczby punktów dostępu AP sieci WLAN z infrastrukturą oraz ich optymalne rozmieszczenie we wnętrzu budynku, objętego zasięgiem radiowym sieci, ale także pozwalających wyznaczyć moce wyjściowe nadajników i częstotliwości kanałów radiowych w poszczególnych jej punktach dostępu AP. Dla tak sformułowanego zbioru zasad i metod optymalnego, z punktu widzenia przyjętej funkcji kryterialnej, planowania sieci WLAN z infrastrukturą oraz dla wybranych algorytmów optymalizacji OPA zaprojektowano, wykonano i uruchomiono w konkretnym środowisku wewnątrzbudynkowym przykładową lokalną bezprzewodową sieć komputerową standardu IEEE 802.11 z infrastrukturą, którą następnie poddano szczegółowej analizie i ocenie empirycznej, planując, przygotowując i przeprowadzając eksperymenty pomiarowe. Wszystkie wymienione wyżej problemy, zagadnienia i zadania sformułowano w rozprawie w postaci tezy, mówiącej o tym, że:
Uwzględnienie w funkcji kryterialnej, na której oparto planowanie infrastruktury sieci standardu IEEE 802.11, właściwości protokołów wielodostępu do kanału radiowego, w tym w szczególności protokołu CSMA/CA, powinno pozwolić na optymalne - zarówno z punktu widzenia poszczególnych stacji abonenckich ST, jak i całej sieci WLAN – rozmieszczenie i skonfigurowanie punktów dostępu AP w wybranym wewnątrzbudyn-kowym środowisku radiokomunikacyjnym.
In the dissertation IEEE 802.11 standard WLAN networks were modelled and analysed, operating within ISM 2.4 GHz radio bands. For those networks an array of patterns and relationships enabling calculation of maximal throughput were presented. These included both simple models (such as TUL - Throughput Upper Limit), as well as more complex and exact ones, based upon Markov chains in particular, involving, for instance, static selection of operation modes (multi-rate) of ST. So as to limit the impact of traffic and retransmission management techniques onto the network throughput in the dissertation only UDP protocol based data transmission has been taken into consideration. Thus the WLAN throughput values obtained were the highest possible for such types on networks. The selected propagation models applied in this dissertation, as well as mathematical throughput model, packets generator, operation system or type of data transmission were intended to facilitate devising and construction of mathematical model of WLAN IEEE 802.11 network with infrastructure which would approximate reality to the highest degree, and whose solutions to planning and optimisation problems of the studied Wi-Fi network would subsequently be confirmed empirically in tests of an operational network. In the dissertation for the purpose of finding the best solution of optimisation problem and WLAN network planning along with its infrastructure multi-objective optimisation (MOO) was used, which allows for including many objective functions in the optimisation problem, as well as obtaining a set of non-dominated solutions. The difficulty in using MOO is lack of known Pareto frontier (P) as well as large number of Pareto-optimal solutions which have to undergo thorough analysis before one of them can be selected. Two MOO functions sets which underwent analysis were compared with results obtained via single objective optimisation (SOO) based upon various selected objective functions. The obtained results allowed for creation of Pareto frontier, and, after application of zero unitarisation method (MUZ), the best results were further analysed with performance metric ( PM ). In the dissertation a number of comparative analyses of selected, known from scientific publications, and the most important optimisation algorithms (OPA) was conducted. The algorithms allow for choice of number of AP in
WLAN with infrastructure, and their optimal placement within indoor area covered by radio reach of the network, but also allow establishing of initial power of transmitter, and radio frequencies in its particular access points. Using thus formulated set of rules and methods of optimal (from the objective function perspective) planning of WLAN network with infrastructure and using selected optimisation algorithms a test local wireless network with infrastructure, compliant with IEEE 802.11 standard was implemented in indoor environment. The network was subsequently analysed, and assessed empirically, with priorly designed measurement experiments. All of the above mentioned problems, and questions were formulated as thesis of the dissertation: Inclusion of objective function, upon which planning of IEEE 802.11 network infrastructure, characteristics of radio channel multi access protocols, CSMA/CA protocol, were based should allow for optima! placement - both from the point of view of particular ST stations, as well as of entire network - and configuration of access points in a chosen indoor radio environment.
