Un protocollo ARQ adattativo per reti WirelessMAN mobili – IEEE 802.16e
Autore
Domenico Mazzotta - Università degli Studi di Lecce - [2003-04]
Documenti
Abstract
L’obiettivo del presente lavoro di tesi è quello di definire un meccanismo atto a migliorare le prestazioni del protocollo TCP su reti Wireless MAN supportanti la mobilità, conformi allo standard IEEE 802.16e. Per conseguire l’obiettivo preposto si è scelto un approccio di tipo Data-Link al fine di poter lasciare inalterato il protocollo di trasporto end-to-end (TCP Reno).
Lo scenario del presente lavoro di tesi prevede la presenza di autobus cittadini (Mobile Subscriber Station, MSS) che viaggiano all’interno di un centro urbano e che possono scambiare informazioni con delle stazioni fisse (Base Station, BS) poste in vari punti del centro urbano stesso (architettura a celle). All’interno di ciascun autobus è ospitata una rete wireless locale. Ogni WMAN è gestita a livello Data-Link in base alle specifiche dello standard IEEE 802.16e, mentre ogni WLAN è caratterizzata da un Data-Link basato su IEEE 802.11.
Per valutare le prestazioni del protocollo TCP si è considerato un traffico dati di tipo FTP. Inoltre al fine dell’analisi delle prestazioni, si è supposto che il delay e il congestion rate del tratto Internet sia nullo. In queste ipotesi, si è focalizzata l’attenzione al link wireless BS-MSS, in cui un server FTP, sulla BS, invia dati a un singolo client FTP rappresentato dalla stessa MSS.
Lo studio condotto durante lo svolgimento della tesi è stato articolato nelle seguenti fasi:
• Studio delle problematiche legate all’uso del protocollo TCP in uno scenario di rete che prevede l’utilizzo di link wireless mobili e analisi delle principali soluzioni presenti in letteratura;
• Studio del livello Data-Link definito dallo standard IEEE 802.16 e analisi accurata degli schemi ARQ previsti dallo standard IEEE 802.16;
• Definizione di un nuovo protocollo ARQ adattativo per reti Wireless MAN mobili che ben si adatti alle caratteristiche correnti del canale fisico. Il protocollo definito non modifica in nessun modo le specifiche imposte dallo standard, ma combina, in maniera adattativa, gli schemi proposti dallo standard e introduce dei meccanismi che consentono di rilevare e recuperare, con tempestività, le perdite dei dati.
• Implementazione nell’ambiente di simulazione Network Simulator versione 2 (NS2) dello schema definito. In questa fase sono state effettuate diverse campagne di simulazioni atte a misurare le prestazioni del TCP, sia sui singoli schemi ARQ forniti dallo standard, che sul protocollo definito. In particolare, le simulazioni sono state effettuate considerando il traffico FTP e valutando il goodput normalizzato come indice di performance;
• Analisi dei risultati ottenuti e confronto delle prestazioni del TCP, in termini di goodput normalizzato, rispetto agli schemi ARQ considerati.
STRUTTURA DEI CAPITOLI
La presente tesi è strutturata in cinque capitoli e un’appendice.
Il primo capitolo, dopo una breve descrizione delle caratteristiche dei link wireless e dei disturbi dovuti alla mobilità delle stazioni che lo utilizzano, analizza le problematiche del protocollo TCP su tali collegamenti. In fine sono descritti i principali schemi proposti in letteratura atti a migliorare le prestazioni del TCP.
Il secondo capitolo analizza in maniera dettagliata e rigorosa, il meccanismo di error recovery definito dal nuovo standard IEEE 802.16-2004. In questo capitolo si descrivono i quattro schemi ARQ forniti dallo standard e i meccanismi di reset di connessione, richiamati nei casi di perdita di sincronismo tra sender e receiver. Il capitolo termina con una serie di “open point” a cui lo standard non fornisce dettagli.
Nel terzo capitolo sono forniti tutti i dettagli del protocollo ARQ definito, analizzando e giustificando meticolosamente tutte le scelte effettuate sui singoli open point. Inoltre analizza il completo funzionamento del protocollo, studiando il comportamento dello stesso in alcuni scenari significativi.
Il quarto capitolo è dedicato al modello di simulazione implementato in NS2 utilizzato per la fase di validazione della soluzione definita.
Nel quinto capitolo sono presentati e commentati i risultati prodotti dalle simulazioni. Inoltre, il capitolo, descrive ciò che potrebbe rappresentare il naturale proseguo del presente lavoro di tesi .
L’appendice A, dopo una breve panoramica dell’evoluzioni dello standard IEEE 802.16, descrive le caratteristiche dello standard soffermandosi principalmente sugli argomenti direttamente correlati con il lavoro di tesi.
Lo scenario del presente lavoro di tesi prevede la presenza di autobus cittadini (Mobile Subscriber Station, MSS) che viaggiano all’interno di un centro urbano e che possono scambiare informazioni con delle stazioni fisse (Base Station, BS) poste in vari punti del centro urbano stesso (architettura a celle). All’interno di ciascun autobus è ospitata una rete wireless locale. Ogni WMAN è gestita a livello Data-Link in base alle specifiche dello standard IEEE 802.16e, mentre ogni WLAN è caratterizzata da un Data-Link basato su IEEE 802.11.
Per valutare le prestazioni del protocollo TCP si è considerato un traffico dati di tipo FTP. Inoltre al fine dell’analisi delle prestazioni, si è supposto che il delay e il congestion rate del tratto Internet sia nullo. In queste ipotesi, si è focalizzata l’attenzione al link wireless BS-MSS, in cui un server FTP, sulla BS, invia dati a un singolo client FTP rappresentato dalla stessa MSS.
Lo studio condotto durante lo svolgimento della tesi è stato articolato nelle seguenti fasi:
• Studio delle problematiche legate all’uso del protocollo TCP in uno scenario di rete che prevede l’utilizzo di link wireless mobili e analisi delle principali soluzioni presenti in letteratura;
• Studio del livello Data-Link definito dallo standard IEEE 802.16 e analisi accurata degli schemi ARQ previsti dallo standard IEEE 802.16;
• Definizione di un nuovo protocollo ARQ adattativo per reti Wireless MAN mobili che ben si adatti alle caratteristiche correnti del canale fisico. Il protocollo definito non modifica in nessun modo le specifiche imposte dallo standard, ma combina, in maniera adattativa, gli schemi proposti dallo standard e introduce dei meccanismi che consentono di rilevare e recuperare, con tempestività, le perdite dei dati.
• Implementazione nell’ambiente di simulazione Network Simulator versione 2 (NS2) dello schema definito. In questa fase sono state effettuate diverse campagne di simulazioni atte a misurare le prestazioni del TCP, sia sui singoli schemi ARQ forniti dallo standard, che sul protocollo definito. In particolare, le simulazioni sono state effettuate considerando il traffico FTP e valutando il goodput normalizzato come indice di performance;
• Analisi dei risultati ottenuti e confronto delle prestazioni del TCP, in termini di goodput normalizzato, rispetto agli schemi ARQ considerati.
STRUTTURA DEI CAPITOLI
La presente tesi è strutturata in cinque capitoli e un’appendice.
Il primo capitolo, dopo una breve descrizione delle caratteristiche dei link wireless e dei disturbi dovuti alla mobilità delle stazioni che lo utilizzano, analizza le problematiche del protocollo TCP su tali collegamenti. In fine sono descritti i principali schemi proposti in letteratura atti a migliorare le prestazioni del TCP.
Il secondo capitolo analizza in maniera dettagliata e rigorosa, il meccanismo di error recovery definito dal nuovo standard IEEE 802.16-2004. In questo capitolo si descrivono i quattro schemi ARQ forniti dallo standard e i meccanismi di reset di connessione, richiamati nei casi di perdita di sincronismo tra sender e receiver. Il capitolo termina con una serie di “open point” a cui lo standard non fornisce dettagli.
Nel terzo capitolo sono forniti tutti i dettagli del protocollo ARQ definito, analizzando e giustificando meticolosamente tutte le scelte effettuate sui singoli open point. Inoltre analizza il completo funzionamento del protocollo, studiando il comportamento dello stesso in alcuni scenari significativi.
Il quarto capitolo è dedicato al modello di simulazione implementato in NS2 utilizzato per la fase di validazione della soluzione definita.
Nel quinto capitolo sono presentati e commentati i risultati prodotti dalle simulazioni. Inoltre, il capitolo, descrive ciò che potrebbe rappresentare il naturale proseguo del presente lavoro di tesi .
L’appendice A, dopo una breve panoramica dell’evoluzioni dello standard IEEE 802.16, descrive le caratteristiche dello standard soffermandosi principalmente sugli argomenti direttamente correlati con il lavoro di tesi.
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