Remigiusz Olejnik, Zastosowanie globalnego wskaźnika jakości w procesie parametrycznego projektowania sieci WLANSesja: Nowe obszary badań systemów i sieci telekomuniacyjnych.Politechnika Szczecińska, Wydział Informatyki

Pełen tekst

(1)www.pwt.et.put.poznan.pl. Remigiusz Olejnik Zakład Sieci Komputerowych Politechnika Szczecińska ul. Żołnierska 49 71-210 Szczecin rolejnik@wi.ps.pl. 2005. Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 8 - 9 grudnia 2005. ZASTOSOWANIE GLOBALNEGO WSKAŹNIKA JAKOŚCI W PROCESIE PARAMETRYCZNEGO PROJEKTOWANIA SIECI WLAN Streszczenie: W referacie przedstawiona jest metoda projektowania parametrycznego lokalnych sieci komputerowych z wykorzystaniem globalnego wskaźnika jakości zastosowana do bezprzewodowych sieci LAN (WLAN). Ponadto zaprezentowany jest model sieci WLAN wykorzystany w metodzie oraz wyniki numeryczne badań symulacyjnych przeprowadzonych do potwierdzenia słuszności tezy mówiącej o możliwości wykorzystania globalnego wskaźnika jakości w procesie parametrycznego projektowania sieci WLAN.. 1. WSTĘP W obrębie dziedziny projektowania sieci komputerowych można wyróżnić dwa obszary badań: projektowanie topologiczne oraz projektowanie parametryczne. Pierwszy z nich ma na celu znalezienie odpowiedniego do założeń schematu połączeń pomiędzy węzłami sieci, natomiast drugi ma na celu znalezienie parametrów węzłów sieci oraz łączących je kanałów transmisyjnych spełniających odpowiednie założenia i wymagania. Projektowanie parametryczne lokalnych sieci komputerowych ma za zadanie poszukiwanie dostosowanych do założeń i wymagań zbiorów parametrów sieci lokalnych: parametrów urządzeń sieciowych umożliwiających komunikację stacji roboczych, parametrów okablowania łączącego urządzenia sieciowe ze stacjami roboczymi, innymi urządzeniami sieciowymi oraz serwerami udostępniającymi usługi sieciowe, parametrów stacji roboczych pracujących w sieci oraz parametrów serwerów świadczących usługi sieciowe dla użytkowników korzystających ze stacji roboczych. W praktyce spotykane problemy ograniczają się do doboru parametrów urządzeń sieciowych oraz okablowania. W odniesieniu do sieci WLAN mówić można jedynie o doborze parametrów elementów sieciowych, zależnych od przyjętego modelu. Niniejszy referat przedstawia wyniki numeryczne badań symulacyjnych przeprowadzonych do potwierdzenia słuszności tezy mówiącej o możliwości wykorzystania globalnego wskaźnika jakości w procesie parametrycznego projektowania sieci WLAN. Metoda ta [3, 5] z sukcesem zastosowana została do projektowania sieci przewodowych, co prezentowano w szeregu publikacji [6]. Model sieci WLAN wraz z możliwością użycia globalnego wskaźnika jakości zaprezentowano w [7], a w niniejszym referacie jest krótko przytoczona.. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 2. METODA KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA PROJEKTOWANIA PARAMETRYCZNEGO LOKALNYCH SIECI KOMPUTEROWYCH Postulowana przez autora automatyzacja procesu projektowania sieci komputerowych [1, 2, 3] znajduje realizację w opracowanej metodzie umożliwiającej komputerowe wspomaganie projektowania parametrycznego lokalnych sieci komputerowych. Metoda bazuje na dwóch ideach: modelowaniu algorytmicznym (opisie procesu zmienności stanu sieci w zależności od jej parametrów, sygnałów wejściowych, warunków początkowych i czasu) oraz optymalizacji parametrycznej i składa się z 7 etapów: 1. Nieformalne projektowanie architektury sieci z udziałem eksperta (w tym: zebranie założeń i wymagań) 2. Nieformalna synteza N-wymiarowego wektora zmiennych parametrów sieci P{ p1 , p2 ,K, p N } oraz zadanie dopuszczalnych wartości tych parametrów Pmin ≤ P ≤ Pmax 3. Nieformalna synteza K-wymiarowego wektora wskaźników jakości sieci Q{q1 , q2 ,K, q K } oraz zadanie dopuszczalnych wartości tych parametrów Qmin ≤ Q ≤ Qmax 4. Nieformalna synteza procedury obliczającej globalny wskaźnik jakości GQ jako funkcji parametrów sieci 5. Formalne obliczenie wskaźników jakości sieci 6. Formalne obliczenie globalnego wskaźnika jakości sieci GQ 7. Formalna optymalizacja parametryczna sieci tzn. uzyskanie takiej wartości wektora P * , przy której wartość GQ osiąga ekstremum Iteracyjnie wykonywane są etapy 5, 6 i 7, aż do osiągnięcia zadanych (w etapie 1) wymagań i założeń. Wyżej zaprezentowany algorytm jest bardzo ogólną ideą, niezależną od konkretnej sieci tzn. stosowanych w niej technologii czy topologii. Dalsze rozważania zawężone zostają do lokalnych sieci bezprzewodowych (WLAN) budowanych w oparciu o standard IEEE 802.11.. 1/5.

(2) www.pwt.et.put.poznan.pl. 3. MODEL SIECI WLAN Bezprzewodowe sieci lokalne budowane są w oparciu o bezprzewodowe karty sieciowe oraz punkty dostępowe (ang. access point). Zakłada się, że sieć zbudowana jest z N stacji roboczych (SR) oraz 1 punktu dostępowego (AP), tworzącego „komórkę dostępową”. Przykład struktury takiej sieci dla N=4 przedstawiony jest na rysunku 1. Punkty dostępowe mogą być ponadto wyposażone w anteny zewnętrzne (AN), które pozwalają na zwiększenie zasięgu komórki dostępowej.. t1. nazwa parametru cena [PLN]. zakres zmienności zmienna ciągła. t2. marka. zmienna ciągła [0...1]. t3. zysk energetyczny [dBi]. zmienna ciągła. Tab. 3. Parametry anteny (AN). 3.2. Wskaźniki jakości sieci WLAN Proponuje się następujące zależności wskaźników jakości: Maksymalny zasięg komórki dostępowej ( q1 ): q1 = f1 (r3 , s3 , r4 , s 4 , t 3 , ∆P ) [m] r3 − s4 +t3 − ∆P − a  s3 −r4 +t3 −∆P −a  10 20 20 10 , q1 = min b b  .     . a=104,3433217, b=0,000621371192 Koszt budowy sieci ( q2 ): q2 = f 2 (r1 , s1 , t1 ) [PLN] q2 = (N ⋅ r1 + s1 + t1 ). Rys. 1. Struktura sieci WLAN dla N = 4 . 3.1. Parametry elementów sieciowych Spośród wielu parametrów charakterystycznych dla elementów wchodzących w skład sieci WLAN wybrano te, które wpływają na omówione w następnym podrozdziale wskaźniki jakości.. r1. nazwa parametru cena [PLN]. zakres zmienności zmienna ciągła. r2. marka. r3. max moc nadajnika [dBm]. zmienna ciągła [0...1] zmienna ciągła. r4. czułość odbiornika [dBm]. zmienna ciągła. Tab. 1. Parametry stacji roboczych (SR).. s1. nazwa parametru cena [PLN]. zakres zmienności zmienna ciągła. s2. marka. s3. max moc nadajnika [dBm]. zmienna ciągła [0...1] zmienna ciągła. s4. czułość odbiornika [dBm]. zmienna ciągła. Tab. 2. Parametry punktu dostępowego (AP).. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. Niezawodność sieci ( q3 ): q3 = f 3 (r2 , r8 , r9 ) [0...1] 1 1 (r2 + s2 + t 2 ) + q3 p  2  3  if BM q3 − ∆P > 0 then q3 p = 1 else q3 p = 0 q3 =. BM q3 = min (BM AB (l = l min ), BM BA (l = l min )).  BM AB (l = l min ) = s3 − r4 + t 3 − T AB (l = l min )   BM BA (l = l min ) = r3 − s 4 + t 3 − TBA (l = l min ) TAB (l = l min ) = TAB (l = l min ) = a + 20 ⋅ log10 (b ⋅ l min ) Jak to zaznaczono przy wzorach, wskaźniki q1 i q2 dają wynik w miarach fizycznych (odpowiednio: metrach i jednostkach pieniężnych); wskaźnik q3 natomiast daje najbardziej pożądaną formę wynikową w postaci liczby z zakresu [0...1] . Do zbudowania metakryterium (globalnego wskaźnika jakości) jako funkcji opisanych wyżej wskaźników jakości, wszystkie wskaźniki muszą być znormalizowane i dawać w wyniku liczby z zakresu [0...1] oraz być zgodne, tzn. wzrost każdego z nich powinien być korzystny. Dokonuje się tego w odniesieniu do wskaźników q1 i q 2 przez dokonanie następujących operacji: q − q 2 min q −q q1N = 1 1min oraz q 2 N = 1 − 2 , q 2 max − q 2 min q1max − q1min gdzie q1max i q 2 max oraz q1min i q 2 min są zadanymi maksymalnymi oraz minimalnymi wartościami tych wskaźników jakości. Dla wskaźnika q3 operacje te nie są wymagane: q3 N = q3 .. 2/5.

(3) www.pwt.et.put.poznan.pl. 3.3. Globalny wskaźnik jakości. 4.1. Zmiana rozmiaru sieci (parametr N ). W literaturze [7] wskazane są dwa sposoby budowania syntetycznego wskaźnika jakości. Najprostszym przypadkiem jest funkcja liniowa (suma ważona):. Badania przeprowadzono dla następujących danych: ∆P = 3 , l min = 150 [m], q1max = 10000 [m], q1min = l min , q 2 max = 5000 [PLN], q 2 min = 0 [PLN]. Zmienność GQ przy zmianie rozmiaru sieci przedstawiono na wykresie 1.. Q(q ) =. M. ∑β. m qm. ,. m =1. βm. gdzie. ∑β. m. – współczynniki wagowe,. βm ≥ 0 ,. =1.. m. Inną proponowaną postacią syntetycznego wskaźnika jakości jest funkcja potęgowa: M  Qγ (q ) =  β m q mγ   m=1 . ∑. 1 γ. , γ ≥1,. gdzie γ ≥ 1 – parametr, β m – współczynniki wagowe, , βm ≥ 0 ,. ∑β. m. =1.. m. Dla γ = 1 otrzymujemy liniową funkcję wagową jak w pierwszym przypadku. Dla γ = 2 natomiast otrzymujemy funkcję postaci: Q2 (q ) =. M. ∑β. 2 m qm. m =1. uwzględniająca rozrzuty poszczególnych wskaźników jakości. W granicznym przypadku lim Qγ (q ) = max q m , tak więc syntetycznym wskaźniγ →+∞. m. kiem jakości staje się dla γ → +∞ wartość największego z poszczególnych wskaźników, co nie zawsze jest korzystne. 4. ZASTOSOWANIE GLOBALNEGO WSKAŹNIKA JAKOŚCI W PROCESIE PARAMETRYCZNEGO PROJEKTOWANIA SIECI WLAN Badania dla modelu sieci WLAN obejmują: zmianę rozmiaru sieci (parametr N ), zmianę zapasu mocy (parametr ∆P ), zmianę minimalnego zasięgu komórki dostępowej (parametr l min ), zmianę parametru q1max , zmianę parametru q 2 max . Ze względu na obszerność materiału zostały pominięte tabele z parametrami SR, AP oraz AN; z podobnego powodu także tabele z pełnymi wynikami uzyskanymi w badaniach zostały pominięte i zastąpione wykresami. Zastosowane zostały następujące zależności globalnego wskaźnika jakości: 3. GQ1 =. ∑w q. i iN. 3. oraz GQ2 =. i =1. ∑w q. 2 i iN. Wykres 1. Zmienność GQ przy zmianie rozmiaru sieci ( N ). Zwiększenie rozmiaru sieci WLAN (parametr N ) powoduje dość duże zmniejszenie wartości GQ , wskutek zmniejszających się wartości q 2 N . Dzieje się dla obu zależności GQ . 4.2. Zmiana zapasu mocy (parametr ∆P ) Badania przeprowadzono dla następujących danych: N = 5, l min = 150 [m], q1max = 10000 [m], q1min = l min , q 2 max = 5000 [PLN], q 2 min = 0 [PLN]. Zmienność GQ przy zmianie zapasu mocy przedstawiono na wykresie 2.. z wagami. i =1. w1 = 0,4 , w2 = 0,4 , w3 = 0,2 . Wykres 2. Zmienność GQ przy zmianie zapasu mocy ( ∆P ).. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 3/5.

(4) www.pwt.et.put.poznan.pl. Zwiększenie wartości zapasu mocy ∆P jednoznacznie powoduje zmniejszenie zasięgu komórki dostępowej ( q1N ). Dla zastosowanego zestawu wag powoduje to także znaczne zmniejszenie globalnego wskaźnika jakości GQ1 ; wartość GQ2 natomiast, dla wartości ∆P ∈ [7K 20] bardzo nieznacznie się zmniejsza. 4.3. Zmiana parametru l min Badania przeprowadzono dla następujących danych: N = 5 , ∆P = 3 , q1max = 10000 [m], q1min = l min , q 2 max = 5000 [PLN], q 2 min = 0 [PLN]. Zmienność GQ przy zmianie parametru l min przedstawiono na wykresie 3. Wykres 4. Zmienność GQ przy zmianie parametru q1max . 4.5. Zmiana parametru q 2 max Badania przeprowadzono dla następujących danych: N = 5 , ∆P = 3 , l min = 150 [m], q1max = 10000 [m], q1min = l min , q 2 min = 0 [PLN]. Zmienność GQ przy zmianie parametru q 2 max przedstawiono na wykresie 5.. Wykres 3. Zmienność GQ przy zmianie parametru l min . Zwiększanie wymagania na minimalny zasięg komórki dostępowej wpływa na niewielkie zmniejszenie GQ . Dla wyższych wartości l min widać rozbieżność pomiędzy GQ1 i GQ2 . 4.4. Zmiana parametru q1max Badania przeprowadzono dla następujących danych: N = 5, ∆P = 3 , l min = 150 q1min = l min , [m], q 2 max = 5000 [PLN], q 2 min = 0 [PLN]. Zmienność GQ przy zmianie parametru q1max przedstawiono na wykresie 4. Dla rosnącej wartości q1max obserwujemy zmniejszanie się wartości GQ . Dla wyższych wartości q1max zauważamy znane już zjawisko rozbieżności pomiędzy GQ1 i GQ2 . Dla wartości q1max = 1000 [m] nie odnaleziono odpowiadającej kombinacji elementów sieciowych.. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. Wykres 5. Zmienność GQ przy zmianie parametru q 2 max . Odwrotnie niż dla q1max , dla rosnącej wartości q 2 max rośnie także wartość GQ . Wskaźniki GQ1 oraz GQ2 poza początkową rozbieżnością, zachowują się podobnie.. 4/5.

(5) www.pwt.et.put.poznan.pl. 5. WNIOSKI Opisana metoda, wykorzystując zaprezentowany model sieci WLAN pozwala na zintegrowanie w jednym metakryterium (globalnym wskaźniku jakości) trzech wskaźników jakości, z wagami dobranymi przez projektanta sieci. Zaprezentowane wyniki numeryczne potwierdzają tezę mówiącą o słuszności użycia globalnego wskaźnika jakości do oceny projektowanej sieci, uwzględniając preferencje projektanta w systemie wag. Symulacje przeprowadzone zostały przy zmianie pięciu kluczowych parametrów modelu sieci WLAN: rozmiaru sieci (parametr N ), zapasu mocy (parametr ∆P ), minimalnego zasięgu komórki dostępowej (parametr l min ), parametru q1max oraz parametru q 2 max . Wszystkie wyniki są zgodne z oczekiwaniami i założeniami odnośnie modelu sieci. Jednocześnie pokazane zostały zauważalne różnice pomiędzy GQ1 i GQ2 dla niektórych konfiguracji parametrów. SPIS LITERATURY [1] R. Olejnik „Methodology of Computer Network Design”, International Conference of Computer Information Systems and Industrial Management Applications (CISIM’03), str. 261-267, Ełk 2003 [2] R. Olejnik „Zagadnienia komputerowego wspomagania projektowania sieci komputerowych”, V Ogólnopolskie Warsztaty Doktoranckie, str. 210213, Istebna-Zaolzie 2003 [3] R. Olejnik „Zależność wskaźników jakości sieci od parametrów sieci w projektowaniu parametrycznym lokalnych sieci komputerowych”, VIII Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne, str. 139-141, Poznań 2003 [4] J. Seidler, A. Badach, W. Molisz Metody rozwiązywania zadań optymalizacji, WNT, Warszawa 1980 [5] R. Olejnik „Globalny wskaźnik jakości w projektowaniu parametrycznym lokalnych sieci komputerowych”, VI Międzynarodowe Warsztaty Doktoranckie, Istebna-Zaolzie 2004 [6] R. Olejnik „Heurystyczne metody optymalizacji w projektowaniu parametrycznym lokalnych sieci komputerowych”, [w:] Wysokowydajne sieci komputerowe, WKiŁ, Warszawa 2005 [7] R. Olejnik „Parametric Design of Wireless Local Area Networks”, VII Międzynarodowe Warsztaty Doktoranckie, str. 85-88, Wisła 2005. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 5/5.

(6)