Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор протоколов локальных и городских беспроводных сетей и методов их исследования 9
1.1. Стандартизация протоколов беспроводного доступа 9
1.2. МАС-уровень протокола 802.11 10
І.З.РНУ-уровень протокола 802.11 15
1.4. Основные механизмы повышения производительности и надежности локальных беспроводных сетей 23
1.5. Механизмы обеспечения качества обслуживания (QoS) в протоколе IEEE802.il 27
1.6. Стандарт IEEE 802.16 городских беспроводных сетей 35
1.7. Анализ существующих методов и алгоритмов повышения эффективности работы беспроводных сетей. Постановка задач диссертации 44
2. Исследование механизмов повышения эффективности передачи одноадресных сообщений в локальных беспроводных сетях 57
2.1. Методы полиномиально-логарифмической и экспоненциально-логарифмической аппроксимации для оценки интенсивности ошибок в беспроводном канале 57
2.2. Исследование механизмов переключения скорости передачи 64
2.3.Метод совместной оптимизации скорости передачи и механизма фрагментации в канале точка-точка 79
2.4. Механизм прямых соединений в беспроводных сетях с протоколом IEEE802.il 84
3. Оценка качества передачи многоадресных сообщений в локальных и городских беспроводных сетях 94
3.1. Мультилидерный подход при многоадресной передаче 95
3.2. Оценка показателей производительности и надежности многоадресной передачи с фиксированными лидерами 100
3.3. Анализ выполнимости QoS-требований 104
3.4. Оценка показателей производительности и надежности многоадресной передачи со случайно выбираемыми лидерами 106
4. Результаты применения разработанных методов и их анализ 114
4.1. Оценка точности методов аппроксимации интенсивности ошибок в беспроводном канале с АБГШ 114
4.2. Результаты исследования механизма переключения скорости передачи ARF 122
4.3. Результаты совместной оптимизации скорости передачи и механизма фрагментации в канале точка-точка 129
4.4. Численный анализ протоколов многоадресной передачи 133
Заключение 149
Литература
- Основные механизмы повышения производительности и надежности локальных беспроводных сетей
- Исследование механизмов переключения скорости передачи
- Оценка показателей производительности и надежности многоадресной передачи с фиксированными лидерами
- Результаты исследования механизма переключения скорости передачи ARF
Введение к работе
Последнее десятилетие характеризуется бурным развитием беспроводных сетей передачи информации. В первую очередь это относится к сетям локального и городского масштаба, где применение беспроводных технологий обеспечивает гибкость архитектуры сети, включая поддержку мобильности, быстроту проектирования и низкие затраты на реализацию. Рост числа пользователей беспроводных сетей, а также объёмов передаваемых данных обусловил появление новых высокоскоростных технологий. За десять лет скорость передачи в локальных и городских беспроводных сетях выросла с 1-2 Мбит/с до 50-70 Мбит/с. В скором времени ожидается появление устройств беспроводного доступа со скоростями до 500 Мбит/с. На сегодняшний момент наиболее популярными технологиями построения высокоскоростных локальных и городских беспроводных сетей являются WiFi (стандарт ШЕЕ 802.11 [1]) и WiMAX (стандарт IEEE 802.16 [2]).
Современные беспроводные протоколы должны обеспечивать не только высокоскоростную передачу данных, но и качественную доставку голосовой и видеоинформации в условиях наличия электромагнитных помех, неизбежных в локальных и городских беспроводных сетях. Под качеством понимается достижение определенных показателей производительности и надежности при передаче информации по беспроводной сети. В последних версиях стандартов беспроводных сетей появился ряд механизмов поддержки качества обслуживания. Однако, требуется детальное исследование эффективности этих механизмов, для чего необходимо разработать новые методы оценки производительности и надежности передачи данных. Проблемам оценки производительности сетей передачи информации на основе стохастических моделей посвящено значительное количество работ, среди которых следует отметить работы российских и зарубежных ученых: Г.П. Башарина, П.П. Бочарова, О.М. Брехова, В.М. Вишневского, B.C. Жданова, В.А. Жожикашвили, Н.А. Кузнецова, О.Г. Мелентьева, А.В. Печинкина, В.К. Попкова, В.В. Рыкова, С.Н. Степанова, G. Balbo, S.C. Bruell, L. Fratta, L. Kleinrock, M. Olivetty, H. Takagi, S.C. Borst, O.J. Boxma и др. Среди аналитических работ, посвященных исследованию протоколов
и IEEE 802.16 и оценке производительности построенных на их базе беспроводных сетей, наиболее значимыми являются работы А.В. Винеля, В.М. Вишневского, А.И. Ляхова, G. Bianchi, F. Cali, М. Conti, Е. Gregory, Q. Ni. В большинстве этих работ производительность оценивается в предположении идеального канала.
В работах, учитывающих влияние помех, имеется ряд недостатков. В частности, работа различных механизмов беспроводного протокола (переключение скоростей, фрагментация пакетов и др.) в условиях помех анализируются разрозненно, т.е. не существует моделей, позволяющих проводить анализ совместного влияния этих механизмов на эффективность передачи информации по беспроводной сети. Следовательно, методы, предлагаемые в этих работах, невозможно напрямую использовать при оптимизации параметров протокола. Кроме того, одним из основных недостатков существующих протоколов беспроводных сетей является отсутствие средств поддержки качества передачи многоадресного трафика. В связи с этим необходимо создать механизм, обеспечивающий надежную многоадресную передачу в локальных и городских сетях, и разработать адекватную математическую модель этого механизма, позволяющую оптимизировать его работу с учетом требований к качеству обслуживания.
Целью диссертационной работы является разработка комплекса аналитических и имитационных моделей для анализа механизмов повышения эффективности передачи информации в высокоскоростных локальных и городских беспроводных сетей, а также исследование и оптимизация этих механизмов с учетом влияния помех и требований, предъявляемых к качеству обслуживания.
Задачами диссертационного исследования являются:
Получение аналитических зависимостей вероятности искажения кадра от уровня помех;
Разработка метода совместной оптимизации скорости передачи и порога фрагментации;
Аналитическое исследование механизма переключения скоростей;
Изучение интерференции прямых соединений станций в сетях IEEE 802.11 и разработка механизмов избегания этой интерференции;
5. Разработка нового протокола надежной многоадресной передачи в беспроводной сети и его математической модели.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе используются методы теории вероятностей, теории стохастических процессов, комбинаторного анализа, вычислительной математики, а таюке имитационного моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методы полиномиально-логарифмической и экспоненциально-логарифмической аппроксимации вероятности искажения кадра;
Аналитическая модель обобщенного механизма переключения скорости передачи типа ARF (Auto-Rate Fallback);
Метод совместной оптимизации скорости передачи и механизма фрагментации;
Механизм защиты прямых соединений от интерференции в беспроводных сетях с протоколом IEEE 802.11;
Мультилидерный механизм многоадресной передачи;
Аналитическая модель мультилидерного механизма с фиксированными лидерами;
Аналитическая модель мультилидерного механизма со случайно выбираемыми лидерами.
Научная новизна:
Разработаны новые методы полиномиально-логарифмической и экспоненциально-логарифмической аппроксимации зависимости вероятности искажения кадра от отношения сигнал/шум;
Разработана аналитическая модель обобщенного механизма переключения скорости передачи, основанного на автоматическом откате скорости;
Разработан метод совместной оптимизации скорости передачи и механизма фрагментации;
Предложен новый механизм работы прямых соединений в структурированных беспроводных сетях с протоколом IEEE 802.11, позволяющий избегать взаимной интерференции соединений;
Предложен новый механизм многоадресной передачи, основанный на выделении части получателей в качестве лидеров, ответственных за подтверждение многоадресных пакетов;
Разработаны аналитические модели мультилидерного механизма с различными схемами выбора лидеров.
Практическая ценность и реализация результатов. Результаты работы внедрены и используются на практике, что подтверждено соответствующими актами. Предложенные и изученные механизмы переключения скорости передачи* и многоадресной передачи реализованы в радиомаршрутизаторе РЭС «Рапира», который был разработан ИППИ РАН в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы по Государственному контракту № 02.477.11.1003 «Разработка технологии создания нового поколения широкополосных телекоммуникационных средств комплектации беспроводных систем передачи данных, голоса и информации».
Теоретические и практические результаты работы использованы при разработке НИР, проводимых ИППИ РАН, по программе Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «Новые физические структурные решения в инфокоммуникациях».
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
Международных семинарах «Распределенные компьютерные и телекоммуникационные сети. Теория и приложения» (2003 г., 2007 г., Москва), (2006 г., София, Болгария);
4th IEEE International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems (MASS 2007, Pisa, Italy);
3rd ACM International Workshop on QoS and Security for Wireless and Mobile Networks (Q2SWinet 2007, Chania, Crete Island, Greece);
Международных конференциях по проблемам управления (МКПУ-Ш 2006г., 2008г., Москва);
Научных конференциях МФТИ в 2005 и 2007г. (Долгопрудный);
Конференции молодых ученых и специалистов "Информационные технологии и системы" (ИТиС-2007, Звенигород);
4-th IEEE Consumer Communications and Networking Conference (CCNC'07, Las Vegas, Nevada, USA);
IX Международной научно-практической конференции "Проблемы функционирования информационных сетей" (ПФИС-2006, Новосибирск);
Семинарах ИППИ РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ [3 - 17]. Из них 2 статьи [3, 4] опубликованы в рецензируемых научных журналах, один из которых утвержден в перечне ВАК. 13 работ [5 - 17] опубликованы в трудах ведущих международных и российских научно-технических конференций.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 70 наименований и приложения. Работа изложена на 158 страницах и содержит 64 рисунка и 9 таблиц.
Основные механизмы повышения производительности и надежности локальных беспроводных сетей
Все эти суммы включают соответствующее число интервалов SIFS между кадрами. Станция принявшая кадр, не предназначенный ей, считывает из него значение tnav и откладывает передачу на основании полученной предполагаемой длительности даже в том случае, если физический уровень указывает на то, что среда свободна. Виртуальное определение занятости среды позволяет бороться с некоторыми проблемами, возникающими при наличии в сети так называемых «скрытых» станций, т.е. станций сети, находящихся за пределами зоны покрытия данной станции сети. Например, станция, которая успешно принимает кадры от передающей станции, но не может регистрировать ответные кадры от станции назначения, считая, что среда свободна, способна исказить кадр подтверждения АСК, возвращаемый станцией назначения на передающую станцию, начав передачу своих кадров.
Виртуальное определение занятости канала передачи вместе с механизмом RTS/CTS позволяет станциям резервировать среду перед началом передачи кадра данных, уменьшая как длительность (так как кадр RTS короче), так и (при наличии скрытых станций) вероятность коллизий.
Длительность кадров RTS и CTS, формат которых строго фиксирован, зависит от скорости на которой они передаются и определяются длиной их МАС-заголовка. Для кадра RTS заголовок равен HRTS:= 16 Байт, а для кадра CTS - HCTS= 10 Байт. Тело (полезная нагрузка) этих кадров равна нулю, как и у кадра подтверждения АСК. Механизм фрагментации
В протоколе ШЕЕ 802.11 для повышения надежности передачи и производительности сети в целом предусмотрен также механизм фрагментации. Суть этого механизма заключается в разбиении передаваемых пакетов данных, длина полезной нагрузки которых L превышает некоторый порог фрагментации L , на минимальное число частей равной длины Lf, не превышающей L, с тем, чтобы в случае искажения повторно передавать не весь пакет целиком, а только искаженный фрагмент. После деления пакета на фрагменты каждый из них рассматривается как отдельный кадр данных и упаковывается в соответствии со стандартной процедурой: к каждому фрагменту добавляется заголовок МАС-уровня и поле контрольной суммы FCS (Рис. 7).
Передача фрагментированного пакета в протоколе IEEE 802.11 происходит путем посылки отправителем, после выполнения очередной " процедуры конкурентного доступа к каналу, пачки фрагментов, составляющих пакет. Причем, отправитель не переходит в режим конкуренции после успешной передачи очередного фрагмента, а передает следующий. Если получатель безошибочно принял очередной фрагмент, он спустя интервал времени SIFS после его приема отвечает отправителю кадром подтверждения АСК. В противном случае подтверждения не происходит, и отправитель после интервала времени EIFS, удваивая конкурентное окно, выполняет процедуру конкурентного доступа к каналу. По её завершении отправитель предпринимает еще одну попытку передать неподтвержденный фрагмент (Рис. 8), если, конечно, количество совершенных попыток не достигло порогового значения К.
Заметим, что для защиты от коллизий, механизм фрагментации может использоваться совместно с механизмом RTS/CTS. При этом обмен кадрами RTS/CTS происходит до передачи первого фрагмента пачки.
Переключение скорости передачи
Для большинства беспроводных сетей, в том числе сетей на базе протокола ШЕЕ 802.11, одним из основных показателей качества работы является их производительность, обычно оцениваемая максимальной пропускной способностью. Очевидно, что пропускная способность сети напрямую зависит от битовой скорости, на которой передаются служебные кадры и кадры данных. Используя тот или иной механизм, устройства могут автоматически переключать текущую битовую скорость с целью достижения наилучшей пропускной способности для данных условий передачи, т.е. для текущей относительной интенсивности помех (SNR) в канале. Таким образом, максимальная пропускная способность очень сильно зависит от эффективности конкретного механизма переключения скорости, его восприимчивости к коллизиям, устойчивости к резким изменениям условий передачи, а также адекватной оценки интенсивности помех или любой другой характеристики канала.
К сожалению, текущая версия стандарта IEEE 802.11 никак не регламентирует механизм выбора битовой скорости, оставляя решения этого вопроса производителям беспроводного оборудования. Анализ возможных механизмов переключения битовой скорости проведен далее в п. 1.7.
Исследование механизмов переключения скорости передачи
Рассмотрим более универсальный механизм переключения скорости передачи, обобщающий правила выбора битовой скорости ARF.
Пусть станция имеет / битовых скоростей передачи. Далее будем обозначать их с помощью индекса /е{1,...,/} . Пусть также станция имеет два счетчика: счетчик последовательных успешных попыток и счетчик последовательных неудачных попыток передачи, т.е. тех, подтверждение о доставке кадра в которых не было получено. Назовем их счетчиками успехов и неудач соответственно. Если на скорости і счетчик успехов достигает некоторого порогового значения s. , принимается решение о повышении битовой скорости (индекс скорости увеличивается на единицу) в том случае, если это возможно. Если же счетчик неудач достигает соответствующего порогового значения е(., то скорость передачи понижается (индекс скорости уменьшается на единицу), если, конечно, это возможно. При изменении индекса скорости передачи в большую или меньшую сторону счетчики успехов и неудач сбрасываются, что соответствует точке обновления всего процесса.
Таким образом, при передаче кадра станция, может находиться в одном из е, + 5,) состояний, каждое из которых определяется значениями счетчиков и номером текущей битовой скорости. Обозначим состояния, попадание в которые произошло с увеличением индекса скорости передачи, либо в которых счетчик успехов отличен от нуля, через (г, j,+), j e{0,...,s-l} , а соответствующие им стационарные вероятности R j . Аналогично, состояния, попадание в которые произошло с уменьшением индекса скорости передачи или счетчик неудач в которых отличен от нуля, будем обозначать через (i,j,-), j є{0,...,е-і} , а их стационарные вероятности R . Здесь знак показывает, была ли последняя попытка передачи успешной («+») или неудачной («-»), индекс /є{і,...,/} обозначает скорость текущей передачи, а индекс j в зависимости от знака соответствует значению счетчика последовательных успехов или неудач.
Таким образом, процесс передачи кадров можно представить марковским процессом с дискретным временем, единицей которого является время выполнения попытки передачи кадра. Из любого состояния (i,j,±) возможно ровно два альтернативных перехода, соответствующих успеху или неудаче очередной попытки передачи. Обозначая через р1 вероятность неудачной передачи на битовой скорости с номером / , получим марковскую цепь, представляющую процесс передачи кадров (Рис. 17). Состояния (1,0,+) и (/,0,-) не показаны на Рис. 17, поскольку их стационарные вероятности равны нулю. Таким образом, общее число состояний марковской цепи равно (е, + st) - 2 . i=i
Для нахождения стационарных вероятностей Rf всех состояний (i,j,±) , преобразуем данную цепь к упрощенному виду (Рис. 18), представляющему собой процесс «рождения-гибели» с / состояниями, в котором состояние / со стационарной вероятностью Rt соответствует передаче станции на і -ой битовой скорости, Л, - вероятность «рождения», т.е. увеличения битовой скорости, a jut вероятность «гибели», т.е. уменьшения битовой скорости. Известно, что (см., например, [70]) для данного процесса справедливы уравнения локального баланса: i?,.//,.=/?MAw, /є{2,...,/}, (2.14) из которых с учетом нормировки
Выражения (2.16), (2.25) и (2.27) позволяют найти вероятность того, что произвольно выбранная попытка передачи будет происходить на битовой скорости с номером / , зная вероятности неудачной передачи р. и пороговые значения счетчика успехов st и счетчика неудач е,. на каждой скорости.
Используя полученную математическую модель механизма автоматического переключения скорости ARF, оценим производительность и надежность передачи типовой беспроводной сети, работающей по протоколу ШЕЕ 802.11, в терминах пропускной способности и вероятности потери пакета.
Рассмотрим сеть типа Hot-spot (Рис. 19) состоящую из N-1 оконечных станций (STAs) и одной базовой станции, представляющей из себя точку доступа (АР) во внешнюю сеть. Пусть все N станций данной сети, находясь в области покрытия друг друга, испытывают воздействие одинаковой шумовой помехи, характеризуемой отношением сигнал/шум SNR , и реализуют метод множественного доступа с прослушиванием несущей и избеганием коллизий CSMA/CA в режиме распределенного управления DCF. По аналогии с работами [22, 29 - 31] введем также допущение, что кадры искажаются одновременно на всех станциях в сети. Будем также считать, что все станции сети работают в режиме насыщения, т.е. в очередях станций всегда есть пакеты на передачу
Оценка показателей производительности и надежности многоадресной передачи с фиксированными лидерами
Построение математической модели механизма F-ELBP начнем с протокола IEEE 802.11, а именно - с режима работы EDCA.
Пусть N VL J - общее количество получателей многоадресных кадров и лидеров соответственно. Будем считать, что все кадры данных в каждом блоке содержат равное число байт полезной нагрузки L . Пусть р} - вероятность искажения кадра (PER) для j -ого получателя, j = l,...,N , и все получатели пронумерованы в порядке убывания значений PER. Будем также считать, что в сети нет других передач, кроме рассматриваемого многоадресного потока, имеющего категорию доступа AC_VI или «Видео» (см. п. 1.5). Так как кадры RTS, CTS, BAR и В-АСК имеют относительно малую длину, то полагаем вероятности их искажения пренебрежимо малыми, и, следовательно, не учитываем их возможные потери.и повторные попытки передачи блока, связанные с этими потерями.
В соответствии со схемой F-ELBP и спецификацией протокола IEEE 802.Не, время между последовательными передачами блока кадров Tt на і -ой битовой скорости равно: Т. = Т п + Т + ВТ.ШТА + J (TtBAR + Т АСК ) + (2 J + В +1) SIFS + DIFS + соа, (3.1) где TRTS, T.CTS, T AR, Т АСК и ТТА - это времена передачи кадров RTS, CTS, BAR, В-АСК и DATA, соответственно, а - длительность слота отсрочки, а со - среднее число слотов отсрочки, в которых станция откладывает передачу текущего блока кадров, определяемое в данном случае по формуле:
Для протокола многоадресной передачи F-ELBP справедлива следующая теорема, указывающая на оптимальную схему выбора лидеров с точки зрения показателя надежности rjrmx
Теорема 1: Для протокола многоадресной передачи F-ELBP с J 1 лидерами показатель максимальной интенсивности потерь пакетов т]тах минимален в случае, если у всех лидеров уровень помех выше, чем у остальных получателей.
Доказательство: Поскольку события, связанные с вероятностями як , к = 1,...,К и ftK, составляют полную систему при любом К \, то имеет место следующая система уравнений и нормировочное равенство: 1 \3 ) [7Г{ + Щ - 1 к=\ Выражая из (3.8) вероятность яК и используя её совместно с формулой (3.6), І приходим к следующей записи вероятности потери кадра для получателей, не являющимися лидерами: к-\ откуда с учетом выражения (3.5) следует, что неравенство ЛСК others выполняется для любого j = \,...,N и любого К 1. Так как вероятности потерь кадра данных 7]jCK И rjothers являются монотонно возрастающими функциями от вероятностей р., то для минимизации показателя 77гаах =тахтах77 с , xpsx.rf!hers\ при фиксированном числе лидеров J \ нужно, чтобы лидерами были получатели с наибольшими значениями р. . Теорема доказана. 102
В дальнейшем под F-ELBP будем понимать протокол многоадресной передачи с фиксированными лидерами, выбираемыми по схеме, минимизирующей показатель 7тах согласно Теореме 1. В этом случае, поскольку все получатели пронумерованы в порядке убывания значений PER, лидерами являются первые J получателей, а остальные N — J получателей - лидерами не являются. С учетом этого и формул (3.5) и (3.6), вероятность потери кадра данных для j -ого получателя можно переписать в виде: л- =\ к (3 9) U=i
Среднее количество попыток передачи кадра, принимая во внимание ограничение (3.2) на их максимальное число, равно: =i+Z - (зл)
Пропускную способность в насыщении для j -ого получателя можно определить как отношение среднего числа бит полезной информации, переданной с MAC-уровня получателя на верхний уровень сетевой иерархии за интервал Tt, к величине этого интервала. Заметим, что в процессе передачи кадра получатель может успешно принять этот кадр несколько раз. При этом, полезная информация, содержащаяся в кадре, передаётся на верхний уровень только один раз. Так как в среднем один кадр передается ук раз, причем с вероятностью т]. j-ът получатель ни разу не примет кадр успешно, то для произвольно взятой попытки передачи кадра полезная информация, содержащаяся в нем, будет передана на верхний уровень с вероятностью —. Учитывая, что за время Tt передается В кадров, Ук пропускная способность в насыщении для j -ого получателя выражается формулой: ,-gf(l- ,). (З.Н) 103
Предложенный метод универсален. Его можно использовать также и для режима работы НССА в протоколе IEEE 802.11, и для протокола IEEE 802.16. При этом меняется лишь выражение (3.1) для времени между последовательными передачами блока кадров. В случае IEEE 802.11 НССА базовая станция составляет расписание передачи для многоадресного потока. При этом она может регулярно с интервалом Т; выделять интервал ТХОР для передачи блока кадров данного многоадресного потока. Очевидно: Т, = ВТ,ШТА + J (Т + Т?лск ) + (2J + B l) SIFS + DIFS + Т, (3.12) где Т — время, используемое для передачи других данных в режиме НССА.
В случае протокола IEEE 802.16 базовая станция может выделять полосу для передачи данного многоадресного потока либо каждый суперкадр, либо раз в п суперкадров, в зависимости от требований приложения. Таким образом, время T.t является константой, кратной длительности суперкадра Tfiame, и не зависит ни от битовой скорости передачи, ни от наличия или отсутствия других передач
Результаты исследования механизма переключения скорости передачи ARF
Анализ работы механизма переключения скорости ARF, представленного в п. 2.2, проведем на примере беспроводной сети с протоколом ШЕЕ 802.11а. При этом, основными задачами будут оценка влияния механизма переключения скорости ARF на производительность беспроводной сети и нахождение таких значений параметров механизма ARF, при которых это влияние невелико.
При решении вышеописанных задач все оценки будем проводить на следующем множестве входных параметров модели, представленной в п. 2.2. Общее количество беспроводных станций в сети N будем брать из набора 2, 3, 4, 5, 10, а отношение сигнал/шум в канале - одним из семи значений SNR=2, 5, 9, 13, 17, 21, 25. Пороги е,, равно как и sn будем считать одинаковыми для каждой битовой скорости передачи и равными е и s соответственно. Таким образом, «поведение» станций на каждой скорости будет одинаковым, что значительно упростит формулы для расчетов стационарных вероятностей (2.28) - (2.31) и позволит более конструктивно подойти к решению задач, обозначенных в начале данного параграфа..
Для расчета пропускной способности беспроводной сети по предложенным в модели п. 2.2 формулам (2.32) и (2.39) необходимо задать времена передачи и вероятности искажения передаваемых кадров данных и подтверждений (АСК), а также значения временных интервалов а, SIFS, DIFS, EIFS и некоторые другие параметры PHY- и МАС-уровней протокола IEEE 802.11а. Считая полезную нагрузку передаваемых кадров с данными постоянной и равной Ь = \КБ , определим время передачи кадра с данными. Согласно спецификации протокола IEEE 802:11а, любой кадр состоит из преамбулы физического уровня длительностью, / = \6мкс, физического заголовка - th .= Амкс и тела самого кадра, передаваемого посредством OFDM-символов по t = Амкс каждый на одной из определенных протоколом IEEE 802.11а битовых скоростей, и содержащего, в свою очередь, заголовок МАС-уровня, полезную нагрузку L в случае кадра с данными и четырехбайтное поле контрольной суммы FCS. Заголовки МАС-уровня для кадра с данными HDATA и-кадра подтверждения доставки НАСК различаются по размерам и равны 32 и ЮБайт соответственно. Таким образом, в случае кадра с данными длительность его передачи равна:
Здесь, N BPS обозначает число бит информации, передаваемых в одном OFDM символе на / -ой скорости, и определяется согласно Табл. 1. Длительности интервалов а и SIFS равны 9 мкс и 16 мкс соответственно, а1 интервалы DIFS и EIFS выражаются через них по формулам (1.Г) и (1.2)-и, в свою очередь, равны DIFS = SIFS + 2ст = ЗЛмкс, EIFS = SIFS + ТХАСК + DIFS = 9Лмкс. Минимальное конкурентное окно в протоколе IEEE 802.11а равно CWmin = 15 , максимальное - CWmm =1023 , а максимальное количество повторных передач кадра с данными - К = 7.
Вероятность искажения помехами кадров данных рАТА и подтверждений FtACK будем оценивать по формуле (2.13) экспоненциально-логарифмической аппроксимации, предложенной в п. 2.1 с учетом коэффициентов (4.3), полученных в п. 4.1. Однако, нужно иметь в виду, что в формуле (2.13) общую длину кадра с данными следует брать HDATA +L + FCS, а кадра подтверждения - Нлск + FCS.
Вместе с оценкой производительности сети по предложенному в п. 2.2 методу проведем исследование точности математической модели путем сравнения результатов с имитационным моделированием. Специально для этого в среде моделирования GPSS World [64] была разработана модель работы беспроводной сети с произвольным числом устройств, учитывающая все особенности канального число станций, N Рис. 42 Относительная пропускная способность сети при работе с механизмом переключения скорости ARF в зависимости от числа активных станций уровня протокола IEEE 802.11 при работе в режиме распределенного управления (DCF). На Рис. 41 представлены графики зависимостей пропускных способностей при работе на битовых скоростях, максимизирующих пропускную способность для различных отношений сигнал/шум, от числа активных станций в сети. Сплошными линиями показана пропускная способность, полученная при расчете по математической модели, а пунктирными - с помощью имитации. Видно, что значения пропускных способностей, полученных в результате математического и имитационного моделирования отличаются не более чем на 1%, что говорит о высокой точности разработанной математической модели.
Как и следовало ожидать, с ростом числа активных станций пропускная способность сети постепенно падает по причине возрастания вероятности коллизий. При наличии механизма переключения скорости ARF падение пропускной способности с ростом числа активных станций становится более резким и зависит от пороговых значений счетчика последовательных успешных попыток s и последовательных неудачных попыток е. На Рис. 42 показаны графики отношения пропускных способностей сети в случае применения механизма ARF и в случае работы на оптимальной битовой скорости при 5ІУ/?=13дБ для некоторых пар порогов s и е. Видим, что начиная с некоторых значений N числа станций это отношение не превышает, 50%. Естественно, такое снижение пропускной способности неприемлемо для эффективной и стабильной работы беспроводной сети.
