تئوری یکپارچه مسیریابی، کنترل نرخ ورودی، زمان بندی و تخصیص کانال در شبکه های بی سیم

در شبکه های بی سیم، تخصیص مناسب امکانات مستلزم طراحی الگوریتم های مسیریابی، کنترل نرخ ورودی، زمان بندی، تخصیص کانال و کنترل توان می باشد. اگر این الگوریتم ها هر یک به صورت جداگانه طراحی شوند و سپس در شبکه مورد استفاده قرار گیرند، تخصیص امکانات به صورت غیر بهینه خواهد بود و علاوه بر آن، چندباره کاریهای غیر ضروری در پیاده سازی این الگوریتم ها رخ می دهد. حال اگر الگوریتم های فوق بطور مشترک با هم طراحی شوند، می توان هم گذردهی بالاتری بدست آورد و هم اختصاص امکانات را بهتر انجام داد. نکته دیگری که توجه به آن در حل مسئله تخصیص امکانات در شبکه های بی سیم ضروری است، امکان پیاده سازی توزیع شده الگوریتم های تخصیص امکانات است. اجرای متمرکز یک الگوریتم نیاز به مبادله پیام های کنترلی و ارتباطی زیادی دارد که در شبکه های بی سیم با توجه به کمبود امکانات، چندان مناسب نخواهد بود. طی 30 سال گذشته تلاشهای تحقیقاتی متعددی در یافتن الگوریتم های توزیع شده برای مسیریابی، کنترل نرخ ورودی، زمان بندی و تخصیص کانال و نیز در جهت ترکیب این الگوریتم ها صورت گرفته است. این تحقیقات به روشن شدن بسیاری از پیچیدگی ها و ظرایف بحث کمک نموده اند. در عین حال هنوز دشواری های متعددی در یکپارچه سازی کامل این الگوریتم ها و اجرای غیر متمرکز و با قید پیچیدگی قابل قبول برای آنها وجود دارد. در این رساله ما سعی کرده ایم با بهره گیری از تحقیقات قبلی و توجه به نقاط ضعف و قوت هر یک از آنها، نگاه جدیدی به مسئله تخصیص امکانات در شبکه های بی سیم داشته باشیم. ما مسائل زمان بندی، مسیریابی، کنترل نرخ ورودی و تخصیص کانال را در شبکه های بی سیم بطور توأمان به صورت یک فرمول بندی واحد بهینه سازی محدب مورد بررسی قرار می دهیم. این روش به دلیل ترکیب شدن تخصیص کانال، زمان بندی بهینه و کنترل نرخ ورودی با یک شکل اصلاح شده از الگوریتم مسیریابی با کمترین تأخیر که پیشتر در شبکه های سیمی مطرح بوده است، بدیع است. ما با دو روش مختلف بهینه سازی به حل این مسئله پرداخته ایم و در ادامه یک الگوریتم ابتکاری برای پیاده سازی آن ارائه کرده ایم. بدین ترتیب تمایز آشکاری بین عملکرد الگوریتم ارائه شده با الگوریتم های مختلف قبلی بدست آمده است. ما با تحلیل ریاضی و همچنین شبیه سازی نشان داده ایم که الگوریتم توزیع شده بدست آمده می تواند با تنظیم برخی پارامترهای از پیش تعیین شده، عدالت و اولویت دهی را بین کاربران مختلف شبکه ایجاد کند. در مقایسه با الگوریتم های مطرح دیگری که زمان بندی و مسیریابی را بر اساس تفاضل طول صف هر محاوره در گره های همسایه انجام می دهند، الگوریتم ما با بهره گیری از الگوی ترافیکی در کل طول مسیرهای مختلف بین مبدأ و مقصد، اقدام به انتخاب بهترین مسیر برای هر بسته می کند. درنتیجه آن طور که شبیه سازی ها نشان می دهند، الگوریتم ما در موارد زیادی به مراتب بهتر از الگوریتم های رقیب عمل می کند، از جمله در زمینه تأخیر بسته ها، تعداد بسته های گم شده، تعداد گام های طی شده تا مقصد، جابجایی ترتیب بسته ها، میزان مصرف انرژی در شبکه و بالاخره سرعت همگرایی الگوریتم. بعلاوه از نظر ناحیه ظرفیت، نتایج شبیه سازی کاهشی را در الگوریتم ارائه شده گزارش نمی کنند. در ادامه ما نشان داده ایم که با توسیع فرمول بندی بدست آمده می توان کنترل توان را نیز در مسئله ادغام نمود به نحوی که الگوریتم یکپارچه حاصل شامل کنترل توان نیز بشود.