بهینه سازی بین لایه‌ای چندپخشی چندجهشی مش

بهینه سازی بین لایه‌ای چندپخشی چندجهشی مش – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه کامپیوتر

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

www.irantarjomeh.com

یک چارچوب بهینه سازی بین لایه‌ای برای سیستم های چندپخشی چندجهشی در شبکه های مش بی سیم

چکیده

امروزه امر فراهم آورن یک وضعیت بهینه و توزیعی با عملکرد بالا در شبکه های مش به عنوان مسئله اصلی و در عین حال سخت مطرح می‌باشد. چنین وضعیتی ممکن است در یک مجموعه بیسیم، بواسطه تداخل بین ارسال های بی سیم محلی، حادتر نیز گردد. در این مقاله، ما نسبت به ارائه یک چارچوب بهینه سازی بین لایه‌ای برای حاصل آوردن حداکثر عملکرد و توان خروجی در شبکه های مش بی سیم اقدام خواهیم نمود، که در آن مشکل مسیریابی داده و مسایل مرتبط با مجادله‌های رسانه بیسیم به صورت تواماً، برای یک سیستم چند- بخشی چند- جهشی، تحت بهینه سازی قرار می‌گیرند. ما نشان خواهیم داد که مشکل به حداکثر رسانی عملکرد یا توان خروجی را می‌توان به دو مشکل فرعی تجزیه نمود: یک مشکل فرعی در ارتباط با مسیریابی داده در لایه شبکه و یک مشکل فرعی در زمینه کنترل توان در لایه فیزیکی همراه با مجموعه‌ای از متغیرهای دوتایی لاگرانژی که هماهنگ کننده کوپلاسیون یا جفت سازی میان لایه ای می‌باشند. راه حل های مؤثر مختلف برای هر یک از این مشکلات فرعی مورد بحث قرار خواهند گرفت. ما بر این مبنا، بر روی تکنیک کدگذاری شبکه برای مسیریابی چندپخشی و یک روش نظری بازی برای مدیریت تداخل تاکید خواهیم نمود، رویه‌هایی که برای آنها راه حلهای مؤثر و توزیع شده‌ای به کار گرفته و تشریح خواهند شد. در نهایت، ما نشان می‌دهیم که این چارچوب پیشنهادی را می‌توان جهت بحساب آوردن سیستم چندپخشی بیسیم لایه فیزیکی در شبکه های مش، گسترش و تعمیم داد.

کلمات کلیدی: بهینه سازی محدب، تجزیه دوتایی، شبکه مش، مسیریابی چندپخشی، کدگذاری شبکه، تخصیص قدرت، تئوری بازی (ها)

بهینه سازی بین لایه‌ای چندپخشی چندجهشی مش

۱- مقدمه

شبکه‌های مش بیسیم به عنوان یک راه حل عملی برای اینترنت بیسیم پهن باند ظهور نموده‌اند. در یک شبکه مش بی سیم، گره ها در موقعیت های مختلف، از طریق رله نمودن اطلاعات بر فراز لینکهای بیسیم، با یکدیگر ارتباط بر قرار می‌نمایند. یکی از ملاحظات مهم در طراحی یک شبکه مش قابلیت این شبکه جهت پشتیبانی مؤثر از سیستم های کاربردی چند پخشی با عملکرد و توان خروجی بالا ( نظیر سیستم های پخش ویدیو استرمینگ) با استفاده از لینکهای بیسیم می‌باشد. این مقاله نسبت به مخاطب قرار دادن مسائل مرتبط با معماری و بهینه سازی شبکه، با توجه به چنین کاربردهایی، در شبکه مش بی سیم اقدام می‌نماید.

…

بقیه این مقاله به شرح ذیل دسته بندی شده است. ما درابتدا تحقیقات مرتبط را در بخش ۲ مورد بحث قرار می‌دهیم و پس از آن با بهره گیری از یک مثال ساده نسبت به مشخص نمودن انگیزه های مرتبط با لزوم بهره گیری از یک طراحی بین لایه‌ای در بخش ۳ اقدام می‌نماییم. در بخش۴، چارچوب بهینه سازی مشترک یا توأم را پیشنهاد نموده و دیدگاه لایه بندی، همراه با یک الگوریتم اولیه – دوگان مؤثر در زمینه حل این مشکل را بررسی می‌کنیم. در بخش ۵ ، ساختار پیمانه‌ای مشکلات فرعی را به بحث خواهیم گذاشت و چندین تکنیک جدید در لایه‌های شبکه و لایه‌های فیزیکی را مورد کنکاش قرار داده و بعلاوه این موضوع را نشان می‌دهیم که چگونه چنین مسایلی می‌توانند بر چارچوب کلی تاثیر داشته باشند. در بخش۶، رویه پیاده سازی توزیعی شبکه های مش بی سیم را مورد خطاب قرار می‌دهیم. بخش۷، ارائه دهنده نتایج شبیه سازی جهت نشان دادن ایده اصلی این مبحث می‌باشد. در بخش۸، رویه‌های تعمیم یافته احتمالی نظیر شبکه های هیبرید/ سلسله مراتبی و کاربرد سیستمهای چندپخشی بیسیم سطح فیزیکی را بررسی خواهیم نمود. در نهایت مبحث خود را در بخش ۹ نتیجه گیری خواهیم کرد.  

بهینه سازی بین لایه‌ای چندپخشی چندجهشی مش

۲- تحقیقات مرتبط

تحقیقات اساسی اخیر به وسیله آلسوید، کئی، لی و یونگ ]۲[ و کوتر و مدارد ]۳[ معرف آن می‌باشد که عملیات کدگذاری در گره‌های رله می‌تواند باعث ارتقای عملکرد کلی سیستم چند پخشی در یک شبکه هدایت شده گردد. این عملیات کدگذاری تحت عنوان «کدگذاری شبکه» خوانده می‌شود. بعلاوه، لی، یونگ و کائی  ]۴[ نشان دادند که کدگذاری خطی جهت حاصل آوردن یک نرخ حداکثری کفایت خواهد داشت. با کمک سیستم کدگذاری شبکه، مشکل حاصل آوردن یک عملکرد چندپخشی بهینه در شبکه‌های هدایت نشده بوسیله لی و همکاران  ]۱[  ]۵[ تحت بررسی قرار گرفته است. اخیراً، دو گروه روالهای اعمال مسیریابی با توجه به سیستم کد گذاری شبکه را مورد مطالعه قرار دادند. لون و همکاران ]۶[ یک الگوریتم توزیعی مبتنی‌بر- زیرشیب (ساب‌گرادیان) را در یک حوزه دوگانه پیشنهاد دادند، در حالیکه وو و چیانگ ]۷[ روش توزیعی مبتنی‌بر- زیرشیب را در حوزه اولیه ارائه نمودند. با این وجود، اغلب مقاله های موجود در زمینه کد گذاری شبکه ظرفیت‌های لینک ثابت را بگونه‌ای مدنظر قرار داده اند که نمی‌توان از آنها بصورت حقیقی در شبکه های بی سیم چند جهشی بهره گرفت، چرا که آنها در معرض تداخلهای بوجود آمده ناشی از رویه‌های ارسال از سوی همسایه های  مجاور خود خواهند بود. در این مبحث، ما چارچوبی را پیشنهاد می‌نماییم که به هنگام حل مشکل عملکرد بهینه شبکه های مش بی سیم، تداخل لایه فیزیکی را نیز به حساب خواهد آورد.

بهینه سازی بین لایه‌ای چندپخشی چندجهشی مش

۳- مثال انگیزه‌بخش

در این بخش، ما نسبت به ارائه یک مثال ساده جهت نمایش دادن لزوم مسیریابی جریان مشترک و کنترل توان در یک نشست چند پخشی اقدام خواهیم نمود. یک شبکه مش با لینک های ارتباطاتی بی سیم و با سیم به صورت ترکیبی همانند شکل یک (الف) را در نظر بگیرید. خطوط توپر معرف لینک های دارای سیم با قابلیت بالای ثابت می‌باشند. خطوط عمودی سه تایی مقطع یا بریده معرف لینکهای بیسیمی‌‌هستند که در بین رادیوها استقرار یافته اند و دارای قابلیت نسبتاً کمتری نیز می‌باشند. هر قابلیت لینک بی سیم نه تنها وابسته به توان یا قدرت ارسال و همچنین میزان بهره کانال خود می‌باشد، بلکه وابسته به تداخل لینک های مجاور نیز خواهد بود (ویژگی تفضیلی مدل تداخل بعداً مورد کنکاش قرار خواهد گرفت). در اینجا فرض کنید که یک نشست چند پخشی با یک منبع S و دو مقصد T₁ و T₂ وجود دارد.

بهینه سازی بین لایه‌ای چندپخشی چندجهشی مش

۴- یک چارچوب بهینه سازی مشترک

ما هم اکنون یک چارچوب کلی جهت مدل سازی و حل مشکل بهینه سازی عملکرد سیستم چند پخشی در یک شبکه مش بی سیم چند جهشی را عرضه می‌نماییم. ما در ابتدا فرمولاسیون سطح سیستمی‌مشکل بهینه سازی را عرضه می‌داریم که شامل متغیرهایی از هر دو لایه شبکه و لایه فیزیکی خواهد بود. پس از آن نشان خواهیم داد که روال بهینه‌سازی واهلش (آزاد سازی) لاگرانژی و ساب-گرادیان را می‌توان به وسیله تجزیه مشکل کلی بهینه سازی به یک دامنه زیر-مشکلات کوچکتر به کار گرفت، که هر کدام از آنها شامل متغیرهایی از لایه شبکه یا لایه فیزیکی خواهند بود. تعاملات بین این دو زیر- مشکل یا مشکلات جزئی بعداً مورد بحث قرار خواهند گرفت.

الف. چارچوب کلی بهینه سازی مشترک

فرمولاسیون مشکل به حداکثررسانی عملکرد در شبکه‌های مش بیسیم  بر مبنای حقایق ذیل استوار است. در ابتدا ، رویه حاصل آوردن یک عملکرد مناسب از طریق جریانهای مسیریابی، از منبع به مقاصد مرتبط، مورد بحث و درک قرار خواهد گرفت. در وهله دوم ، مشخص خواهد شد که نرخ جریان انباشته نمی‌تواند فراتر از ظرفیت لینک شود. در مرحله سوم، این نکته تعیین می‌شود که ظرفیت لینک به عنوان تابعی از نسبت سیگنال ـ به ـ تداخل ـ و‌ـ نویز (SINR) مد نظر خواهد بود، که در مقابل از طریق سطوح توان در کلیه  فرستنده ها تعیین خواهد گردید.

ب. تجزیه مشکل

مشارکت اصلی چنین مبحثی بهره‌گیری از یک دیدگاه دوگان برای یک راه حل توزیعی در زمینه مشکل کلی بهینه سازی شبکه می‌باشد (۱). توجه داشته باشید که به هنگامی‌که تابع یوتیلیتی  به صورت معقر ‌باشد و به هنگامی‌که هر دو N وC به عنوان نواحی محدب به شمار می‌آیند، روش های بهینه سازی ژنی محدب را می‌توان جهت حل مشکل کلی بهینه سازی مورد استفاده قرار داد (۱). با این وجود، چنین راه حل متمرکزی نمی‌تواند از مزیت یک ساختار مشکل خاص استفاده نماید و نیازمند اطلاعات کلی و جمع آوری آنها در نقطه مرکزی محاسباتی می‌باشد. در یک شبکه مش بی سیم، رویه های پیاده سازی غیر متمرکز و مقیاس پذیر ترجیح داده می‌شوند. در این مقاله ، ما یک چارچوب راه حل بهینه را ارائه می‌نماییم که در محدوده آن مشکل اصلی به مشکلات جزئی تر و کوچکتری تقسیم خواهند شد، که هر کدام از آنها را می‌توان به صورتی مؤثر در یک حالت توزیعی حل نمود.

ج. چارچوب راه حل اولیه- دوگان

ضروریات کلید که اجازه تجزیه مشکل بهینه سازی شبکه به مسیریابی و کنترل توان را می‌دهد، ساختار تحدب زیرین چنین مشکلی خواهد بود. سپس، با توجه به یک حالت دوگانگی قدرتمند، مشکل بهینه سازی (۱) را می‌توان به صورت مؤثری از طریق دوگان آن حل نمود. علی الخصوص، ما هم اکنون نسبت به ارائه الگوریتم اولیه – دوگان که قابلیت حل کلی مشکل بهینه سازی شبکه را خواهد داشت اقدام می‌نماییم :

بهینه سازی بین لایه‌ای چندپخشی چندجهشی مش

۵- ماژول های مشکل فرعی

یکی از خصیصه های اصلی الگوریتم اولیه – دوگان حالت ماژولی یا پیمانه‌ای آن می‌باشد، که بر مبنای آن هر مشکل فرعی را می‌توان به صورت مستقل در داخل یک لایه واحد حل نمود. نشان دادن این نکته باقی خواهد ماند که چگونه مشکل فرعی مسیریابی در لایه شبکه و زیر برنامه کنترل قدرت در لایه فیزیکی را می‌توان به صورتی مؤثر حل نمود. بر این مبنا، ما راه حل های جایگزین مختلفی را برای دو مشکل فرعی در یک شبکه مش مورد بررسی قرار دادیم. در لایه شبکه، راه‌حل‌هایی را با یا بدون کدگذاری شبکه انجام می‌هیم. در لایه فیزیکی، دیدگاههای الگوریتمی‌متفاوت، شامل برنامه نویسی هندسی و روش های تئوریکی بازی، را مورد بررسی قرار خواهیم نمود. این جایگزینها شامل ماژول‌هایی خواهند بود که به آسانی می‌توان آنها را به چارچوب بهینه سازی بین لایه‌ای، که آن را پیشنهاد نموده بودیم، متصل نمود.

الف. ماژول لایه شبکه

ویژگی ناحیه مسیریابی در لایه شبکه وابسته به مدل و تکنیک های خاصی می‌باشد. در این بخش، ما در ابتدا نسبت به بررسی مسیریابی فشرده درختی اقدام می‌نماییم، پس از آن بر روی تکنیک کد سازی شبکه برای سیستم چند پخشی تأکید خواهیم داشت.

(۱) مسیریابی بر مبنای فشرده سازی درختی: به هنگامی‌که روال کد سازی شبکه مد نظر نباشد و نشست های داده‌ای به صورت چند پخشی یا نشست های انتشاری باشند، مسیریابی فشرده درختی از طریق ارسال داده و تکرار یا تکثیر در هر گره بیسیم حاصل می‌شود. با توجه بدین عملیات ارسال و تکثیر، هر یک از جریان های داده اتمی‌‌در امتداد یک درخت انتشار خواهند یافت. هر درخت معرف یک مسیر از یک منبع به کلیه مقاصد خود در نشست داده‌ای می‌باشد. حداکثر عملکرد قابل حصول را می‌توان از طریق یافتن حداکثر تعداد دو به دو درختان ظرفیت ـ مجزا محاسبه نمود. 

۲) مسیریابی چند پخشی با کد گذاری شبکه: با توجه بدانکه دیدگاه متعارف در زمینه سیستم چند پخشی ( یعنی فشرده سازی درخت) نیازمند پیچیدگی های محاسباتی زیاد جهت حاصل آوردن راه حل های بهینه چند پخشی می‌باشد، مهم ترین مزیت تکنیک کدگذاری شبکه را می‌توان قابلیت آن در زمینه حاصل آوردن بهینه ترین راه حل چند پخشی با پیچیدگی اندک برشمرد. 

ب. ماژول لایه فیزیکی

مدیریت تداخل یکی از چالشهای عمده در طراحی لایه فیزیکی شبکه های بیسیم بشمار می‌آید. یک مفهوم کلیدی در لایه فیزیکی «ناحیه ظرفیت» به شمار می‌آید (که به صورت اکید تری، تحت عنوان «ناحیه ظرفیت قابل حصول» خوانده می‌شود)، که مشخص کننده یک ارتباط دو سویه بین ظرفیت های قابل حصول در لینک های مختلف می‌باشد. یک شبکه با  و  به عنوان بهره، توان و نویز مرتبط با لینک را به ترتیب در نظر بگیرید.  را نیز به عنوان ضریب تداخل از لینکg کوچک به لینک l کوچک در نظر داشته باشید. سپس، در نظر بگیرید که هر گره دارای یک بودجه توان  می‌باشد. بنابر این، مشکل فرعی کنترل توان (۴) با یک مدل تداخل لایه ـ فیزیکی را می‌توان به شرح ذیل به فرمول درآورد:

بهینه سازی بین لایه‌ای چندپخشی چندجهشی مش

۶- پیاده سازی توزیعی

با توجه بدان که رویه های پیاده سازی شبکه مش به صورت حقیقی غالباً ترغیب کننده گوناگونی‌ها در ویژگیهای کانال و نوسانات وابسته به تقاضای شبکه می‌باشند، الگوریتم های زمان حقیقی و توزیع شده مطلوب خواهند بود. رویه های پیاده سازی توزیعی روش بهینه سازی شبکه نیز همچنین در شبکه های مش به دلایل مقیاس پذیری مهم جلوه می‌نمایند. در این بخش، ما نشان خواهیم داد که مشکل به حداکثررسانی عملکرد شبکه های مش را می‌توان به روشی توزیعی حل نمود. بر این مبنا الگوریتم اصلی ما به شرح ذیل خواهد بود:

الف. مسیریابی جریان توزیعی

ما در ابتدا این موضوع را نشان می‌دهیم که چگونه می‌توان نسبت به حل مسیریابی جریان چندپخشی لایه شبکه مرحله (۱-۲) از الگوریتم ۳ در یک مد توزیعی اقدام نمود. براین مبنا، یک راه حل سه فازه را پیشنهاد می‌کنیم: (الف) جدایی نشست، (ب) محاسبه جریان حداقل- هزینه توزیع شده (ج) به حداکثر رسانی سودمندی یا یوتیلیتی در منبع.

ب. کنترل توان توزیعی

بازی کنترل توان در مرحله (۲-۲) از الگوریتم ۳ را می‌توان در یک حالت توزیعی در لایه فیزیکی پیاده نمود. با الهام از تحقیقات [۱۰]، ما آپدیت پیام واقع در مرحله (۴) از الگوریتم دو بازی کنترل توان را به شرح ذیل تجزیه می‌نماییم :

ج. آپدیت قیمت سایه توزیعی

در مرحله (۳) از الگوریتم ۳، آپدیت متغیر دوگان  در iامین لینک تنها نیازمند ظرفیت محلی  و نرخ های جریان های محلی  می‌باشد. بنابراین، قیمتهای سایه  را می‌توان به صورت محلی آپدیت نمود.

بهینه سازی بین لایه‌ای چندپخشی چندجهشی مش

۷- شبیه سازی ها

ما نسبت به شبیه سازی یک مثال چندپخشی تک-نشستی جهت نشان دادن چارچوب بهینه سازی شبکه اقدام می‌نماییم. شبکه مش بی سیم در شکل ۴ نشان داده شده است. منبع S سعی خواهد داشت تا نسبت به استقرار یک نشست با توجه به عملکرد چندپخشی حداکثری به مقصدهای سه‌گان T₁; T₂; T₃ با استفاده از کدگذاری شبکه اقدام نماید. یک مدل لینک چند کاناله در سطح فیزیکی به کار گرفته شده است. میزان بهره کانال و ضریب تداخل برمبنای محو شدگی یا فیدینگ لاگ- نرمال (fading  lognormal ) ایجاد شده است. ما دو سناریوی کانال مختلف را مدنظر قرار می‌دهیم: یک سناریوی دارای تداخل اندک که در آن نسبت میانگین میزان بهره کانال مطلوب به مجموع کلیه ضرایب تداخل به میزان ۱۰ دیسیبل خواهد بود و سناریوی بعدی که به عنوان سناریوی دارای تداخل بالا مطرح است نسبت میانگین بهره کانال مطلوب به مجموع کلیه ضرایب تداخل به میزان ۲- دیسیبل خواهد بود. ما از الگوریتم ۳ جهت یافتن راه حل بهینه برای مشکل به حداکثر رسانی عملکرد استفاده می‌کنیم (۱).

بهینه سازی بین لایه‌ای چندپخشی چندجهشی مش

۸- رویه های تعمیم

در این بخش، ما دو رویه تعمیم یافته محتمل برای چارچوب جاری را خاطر نشان می‌سازیم.

الف. ساختار هیبرید و سلسله مراتبی

با وجود آنکه نکته تمرکز ما بر روی یک شبکه مش بی سیم کامل در این مقاله می‌باشد، مدل و راه حل ما قابلیت کار آسان با شبکه مش هیبرید و سلسله مراتبی را نیز خواهند داشت [۲۳] ، جائیکه خطوط دارای سیم و بی سیم هر دو یک رویه باهم زیستی را تجربه می‌کنند. علت این امر نیز آن است که یک شبکه دارای سیم را می‌توان به عنوان یک وضعیت خاص در مبحث فرمولاسیون شبکه های بی سیم در نظر گرفت، جائیکه کلیه موارد تداخل صفر خواهند بود.

ب- سیستم چند پخشی بی سیم با لایه فیزیکی

 بواسطه طبیعت به اشتراک گذاشته شده رسانه بسیم، برای یک فرستنده  این امر امکان پذیر خواهد بود تا به صورت موفقی به گیرندگان متعددی در یک وهله ارسال واحد دسترسی داشته باشد. به طور مثال، در شکل۹، به جای ارسال اطلاعات “a” به صورت مجزا بر روی لینک از گره i به گره T₁ و بر روی لینک از گره i به گره ii ، گره فرستندهi  به سادگی می‌تواند نسبت  به ارسال اطلاعات “a ” به دو گره گیرنده در یک زمان در لایه فیزیکی اقدام نماید. چنین رویه چند پخشی سطح فیزیکی از مزیت صرفه جویی در توان فرستنده و کاهش تداخلات دوسویه بهره مند خواهد بود. چنین قابلیتی برای یک فرستنده واحد در جهت دستیابی به چندین گیرنده در یک زمان، تحت عنوان مزیت چند پخشی بی سیم خوانده می‌شود [۲۴].

بهینه سازی بین لایه‌ای چندپخشی چندجهشی مش

۹- نتیجه گیری

در این مقاله، نسبت به ارائه یک چارچوب بهینه سازی بین لایه‌ای‌ برای سیستم چند پخشی چند جهشی در شبکه های مش بی سیم اقدام نمودیم. ما مشکل به حداکثر رسانی عملکرد، با توجه به مشکل مسیر یابی داده در لایه شبکه و مشکل  کنترل توان در لایه فیزیکی، را به صورت فرمول ارائه نمودیم. بر این مبنا، نشان دادیم که چنین مشکلی را می‌توان به دو زیر- مشکل اصلی تقسیم نمود. مدل سازی و الگوریتم های راه حل برای هر مشکل فرعی را می‌توان به آسانی بر مبنای موجود بودن تکنولوژیهای شبکه و تکنیک های بهینه سازی تنظیم و تعدیل نمود. علی الخصوص، ما بر روی بهینه سازی بین لایه‌ای‌ سیستم مسیر یابی چند پخشی با کد گذاری شبکه و کنترل توان با استفاده از روش نظری تأکید نمودیم، و بر این مبنا، راه‌حلهای مؤثر و توزیعی مشخص و تشریح شدند. در نهایت، نشان دادیم که مزیت چند پخشی بیسیم را می‌توان در تعامل با چارچوب بهینه سازی به کار گرفت.