диссертация. Талғатұлы Т Диссертация. Республики казахстан

• Название: Республики казахстан
• Анкор: диссертация
• Дата: 22.04.2022
• Размер: 2.81 Mb.
• Имя файла: Талғатұлы Т Диссертация.docx
• Тип: Реферат; #490197
• страница: 4 из 10

1.3.1. Анализ влияния перекрывающихся каналов
Каналы, используемые для Wi-Fi, в большинстве случаев разделены 5 МГц и чаще всего имеют полосу пропускания 22 МГц. В результате каналы перекрываются, и можно найти максимум три неперекрывающихся канала.Например: каналы 1, 6, 11, каналы 2, 7, 12, каналы 3, 8, 13. Однако в высокоплотной WLAN со многими АР и станциями эти неперекрывающиеся каналы недостаточны. Поэтому в этой части оценим влияние перекрывающихся каналов на производительность высокоплотной WLAN сети.

Чтобы оценить это влияние, создаем шесть сценариев:

• 
  Сценарии 1, 2, 3: беспроводные сети с 5, 10 и 15 точками доступа соответственно. К каждой точке доступа подключены 10 STA. Используем 3 неперекрывающихся канала 1, 6 и 11 для их назначения точкам доступа так, как показано на рисунке 1.11.
  
• 
  Сценарии 4, 5, 6: используется топология аналогично как в сценариях 1, 2, 3, но каналы перекрываются.
  
• 
  В этих сценариях будем использовать только HTTP-приложение с интенсивным просмотром (heavy browsing), на рисунке 1.12 представлены его параметры и профиль по умолчанию. Влияние перекрывающихся каналов будет рассматриваться с точки зрения количества попыток повторной передачи. Однако мы интересуемся только разницей между двумя ситуациями: перекрывающимися и неперекрывающимися; в дополнение к этому значения результатов моделирования зависят от установленной конфигурации. Поэтому, во-первых, вычисляем среднее количество попыток повторной передачи, а затем нормализуем эти значения для сравнения результатов (рисунок 1.13).
  

Рисунок 1.11 - Топология для оценки влияния перекрывающихся каналов


Рисунок 1.12 - Параметры application и pro file HTTP приложения

Как можно видеть из рисунка 1.13, количество попыток повторной передачи в случае перекрывающихся каналов больше, чем в случае неперекрывающихся каналов. В то же время, когда число точек доступа и STA увеличивается (в случае перекрывающихся каналов), количество попыток повторной передачи резко увеличивается, что можно рассматривать как серьезную проблему в высокоплотной WLAN сети.

Рисунок 1.13 – Влияние перекрывающихся каналов с точки зрения количества попыток повторной передачи
Это не только снижает производительность сети, но и ограничивает возможность поддержки QoS в WLAN. Интерференция между АР и STA, использующими перекрывающиеся каналы, приводит к тому, что многие пакеты отбрасываются, и сеть должна снова выполнить передачу.
1.3.2. Анализ влияния расстояния между точками доступа


В то время как использование перекрывающихся каналов приводит к значительной интерференции, расстояние между точками доступа (предполагается, что STA остаются вокруг AP) также является фактором, влияющим на производительность WLAN. Фактически расстояние между АР будет ограничивать взаимодействие между WLAN-устройствами. Однако в высокоплотных WLAN АР обычно плотно развернуты, а расстояния между ними невелики. Эта проблема в сочетании с использованием перекрывающихся каналов может привести к значительному снижению производительности и QoS элементов WLAN. В этом разделе оценим степень влияния расстояния между точками доступа в WLAN сети с использованием перекрывающихся каналов с точки зрения количества попыток повторной передачи.

Создадим 4 сценария с одинаковым количеством точек доступа (9 точек доступа) и STA (8 STA для каждой точки доступа). Топология показана на Рисунке 1.14. При этом d (m) - расстояние между двумя АР. Значение d будет изменено на 90м, 50м, 25м, 15м, соответствующее сценариям. Стрелки обозначают направление движения точек доступа для изменения расстояния. Используем то же самое HTTP-приложение с тем же профилем (рисунок 1.12). На рисунке 1.15 представлен результат моделирования. Можно заметить, что при уменьшении расстояния между АР количество попыток повторной передачи увеличивается, что указывает на увеличение количества сброшенных пакетов, что может быть объяснено как интерференцией, так и проблемой скрытого узла, возникающей при уменьшении расстояния между АР.

Рисунок 1.14 - Сетевая топология для оценки влияния расстояния между точками доступа

Рисунок 1.15 - Влияние расстояния между точками доступа с точки

зрения количества попыток повторной передачи
1.3.3. Анализ производительности WLAN сети со многими точками доступа
В этом разделе всесторонне оценим высокоплотную WLAN со многими точками доступа и большим количеством STA с точки зрения задержки, количества попыток повторной передачи и пропускной способности. Эти параметры используются для более точной оценки влияния количества точек доступа и STA на производительность сети, а также QoS элементов.

Создадим 14 различных сценариев с 1, 2, 4, 6, 8, 10, 12 АР соответственно, подключается по 5 STA к 1 AP. При этом 7 сценариев выполняются без HCF (Hybrid Coordination Function – функция гибридной координации) и 7 сценариев с HCF. HCF был введен в IEEE 802.11e, в котором использовались механизм опроса и ка­тегории трафика для улучшения QoS в WLAN. Используем модуль wlan_ethernet_router_adv для AP и модуль wlan_wkstn_adv для STA. Перекрывающиеся каналы используются для более точной оценки. На рисунке 1.16 представлен пример топологии сценария с 8 АР и 40 STA.

Рисунок 1.16 – Топология сценария с 8 АР и 40 STA
В этом моделировании используем 4 приложения с различными параметрами: Voice (PCM Quality Speech), Video (High-Resolution videos), HTTP (Heavy Browsing), FTP (High Load). 3 STA из 5 STA будут использовать 3 приложения Voice, Video, FTP, а остальные STA - HTTP-приложение. Следует отметить, что мобильность узлов в этом моделировании не рассматривается.

Из-за увеличения столкновений (следствие проблемы скрытого узла, перекрывающихся каналов и т.п.) количество попыток повторной передачи заметно увеличивается. Возможность столкновения пакетов данных, сброса пакетов данных и увеличения задержки доступа будут выше, когда количество АР и STA, подключенных к WLAN, увеличивается и, следовательно, негативно влияет на производительность WLAN.Реализация механизма опроса и категорий трафика HCF оказывается более эффективной, но тем не менее, это не привело к значительному снижению влияния с которым столкнулась высокоплотная WLAN. Таким образом, требуются новые эффективные решения для поддержки QoS для высокоплотной беспроводной сети.

Проведенный в предыдущих разделах анализ предметной области показал, что трафик WLAN демонстрирует экспоненциальный рост, происходят значительные структурные изменения, беспроводные сети становятся высокоплотными. Следствием этого стало появление серьезных проблем в поддержке QoS. Если раньше основной акцент был на внутриканальной интерференции, то сейчас интерференция соседних каналов стала главной. Несмотря на широкий спектр научных работ и разнообразие аналитических моделей и подходов, возможность поддержки QoS для таких сетей по-прежнему ограничена, так как большинство исследований сосредоточено на WLAN с одной точкой доступа. Полученные в разделе 1.3.3 результаты указывают снижение производительности и возможностей обеспечения QoS в высокоплотной беспроводной сети. Отсутствие подходящих механизмов для избегания взаимодействия и обеспечения QoS элементов WLAN с различными типами трафика ставит вопрос о необходимости создания механизмов или методов, позволяющих более эффективно работать в высокоплотной беспроводной сети.

Результаты проведенного в разделе 1.3.3 анализа при применении различных категорий трафика и механизма опроса в HCF (IEEE 802. Не) кажутся многообещающими для решения этой проблемы. Таким образом, целью данной диссертационной работы является создание механизмов обеспечения QoS в беспроводных локальных пакетных сетях нелицензируемого диапазона на основе методов доступа к среде на MAC уровне IEEE 802.11.

Анализ, проведенный в главе 1, позволяет определить круг задач, решаемых в последующих главах диссертационной работы:

• 
  анализ механизмов доступа к среде: механизм конкуренции и механизм опроса;
  
• 
  разработка механизма приоритезации для обеспечения минимизации задержки при конкуренции между WLAN сетями;
  
• 
  разработка механизма мультиопроса на основе приоритезации для высоко­плотной WLAN сети с целью уменьшения расхода опроса;
  
• 
  разработка эффективного метода назначения значения ТХОР {Transmission Opportunity) для механизма мультиопроса в высокоплотной WLAN сети для обеспечения различных типов трафика.
  

1.4. Выводы по первой главе

1. 
   На основе анализа интерференции беспроводных технологий в нелицензируе-мом диапазоне выявлен ряд проблем, которые влияют на обеспечение QoS в WLAN сети. Проведен сравнительный анализ решений для сосуществования Wi-Fi и Bluetooth, Wi-Fi и Zigbee для ослабления вредных влияния. Показано, что, хотя механизмы сосуществования используются для повышения производительности системы при наличии интерференции, не существует метода, который может быть использован для всех сценариев.
   
2. 
   Проведен анализ проблем в обеспечении качества обслуживания в IEEE 802.11 и обзор существующих решений обеспечения QoS. Показано, что проблема поддержки QoS в WLAN является внутренней, что требует учесть взаимодействия компонентов WLAN сети, влияния WLAN сетей между собой и возможность обеспечения различных типов трафиков в сети.
   
3. 
   На основе анализа производительности высокоплотной WLAN со многими точками доступа выявлено, что использование различных категорий трафика и механизмов опроса в HCF для решения проблемы обеспечения QoS являются многообещающими: результаты моделирования указывают, что задержка уменьшается на 31% , количество попыток повторной передачи уменьшаются на 15%, а пропускная способность увеличивается на 7%.
   
4. 
   Предложено применить модифицированные методы доступа на IEEE 802.11 MAC уровне для обеспечения QoS.
   

2. Научные исследования по теме исследуемого объекта
2.1 Механизмы доступа в беспроводных локальных сетях
Механизм доступа – это механизм взаимодействия элементов сети со средой передачи данных, определяющий правила получения права передачи данных по используемому каналу. То есть механизмы доступа отвечают за решение проблемы нескольких станций, готовых одновременно использовать среду. В общем случае контроль управления доступом представляет собой некоторую работу, которую производит сеть перед тем, как принять предлагаемое новое соединение. Это процесс принятия решения о том, какой ресурс (частотный, временной, пространственный, кодовый) можно выделить для новой передачи в сеть. Существуют два механизма, которые используются для доступа к беспроводной среде на MAC- уровне: механизм конкуренции и механизм опроса. Для WLAN два вышеуказанных механизма разделяются на:

• 
  DCF, EDCA (Enhanced Distributed Channel Access): механизмы, принадлежащие группе механизмов конкуренции;
  
• 
  PCF, HCCA (HCF Controlled Channel Access): механизмы, принадлежащие группе механизмов опроса.
  

Далее будут рассмотрены основные существующие механизмы доступа к среде передачи данных стандарта IEEE 802.11.
2.1.1 Механизм конкуренции
На первый взгляд организовать совместный доступ к среде передачи данных довольно просто. Для этого необходимо обеспечить возможность передачи всеми узлами данных только тогда, когда среда является свободной. Однако такой подход неизбежно приведет к коллизиям, поскольку велика вероятность того, что два или более узлов, пытаясь получить доступ к среде передачи данных, одновременно решат, что среда свободна, и начнут одновременную передачу. Именно поэтому необходимо создать метод, способный снизить вероятность возникновения коллизий и в то же время гарантировать всем узлам сети равноправный доступ к среде передачи данных.

Одним из вариантов организации равноправного доступа к среде передачи данных является механизм конкуренции. Эта функция основана на методе коллективного доступа с обнаружением несущей и механизмом избегания коллизий (CSMA/CA). При такой организации каждый узел, прежде чем начать передачу, как бы прослушивает среду, пытаясь обнаружить несущий сигнал, и только при условии, что среда свободна, может начать передачу данных.

Однако, как уже отмечалось, в этом случае велика вероятность возникновения коллизий. Для того чтобы снизить вероятность возникновения ситуации одновременного доступа узлов к среде, используется механизм избегания коллизий (Collision Avoidance, CA). Принцип работы данного механизма заключается в следующем. Каждый узел сети, убедившись, что среда свободна, прежде чем начать передачу выжидает в течение определенного промежутка времени. Этот промежуток является случайным и складывается из двух составляющих: обязательного промежутка IFS (Interframe Space, для DCF будет DIFS и для EDCA будет AIFS) и выбираемого случайным образом промежутка обратного отсчета (Backoff time). В результате, каждый узел сети перед началом передачи выжидает в течение случайного промежутка времени, что значительно снижает вероятность возникновения коллизий, поскольку вероятность того, что два узла сети будут выжидать в течение одного и того же промежутка времени, чрезвычайно мала.

Это именно идея заложена в основу работы механизма DCF. Механизм EDCA также работает по такому принципу, но расширяет MAC-уровень для QoS. На рисунке 2.1 представлен принцип работы механизма конкуренции.

Рисунок 2.1 – Принцип работы механизма конкуренции
EDCA в IEEE 802.11e представляет собой расширенную версию устаревшего DCF, которая обеспечивает приоритетный уровень QoS. Унаследованный MAC 802.11 не поддерживает концепцию дифференцирования кадров с разными приоритетами. DCF обеспечивает доступ к каналу с равной вероятностью для всех STA, конкурирующих за доступ распределенным образом. Однако равные вероятности доступа нежелательны среди STA с кадрами разных приоритетов. EDCA разработан для обеспечения дифференцированных распределенных доступов к каналам для кадров с восемью различными приоритетами (от 0 до 7) путем усиления DCF. В отличие от устаревшего DCF, EDCA не является отдельной функцией координации, а, скорее, это часть единой функции координации HCF IEEE 802.11e MAC- уровня.

Каждый кадр, поступающий в МАС из верхних уровней, несет определенное значение приоритета. Каждый приоритет более высокого уровня отображается в категорию доступа (AC), как показано в таблице 2.1. Относительный приоритет 0 находится между 2 и 3. Относительная приоритезация следует из спецификации IEEE 802.1D. Затем каждый кадр QoS данных несет свое значение приоритета в заголовке кадра MAC. AC использует AIFS[AC], CW_min[AC] и CW_max[AC] вместо DIFS, CW_min и CW_max как в DCF соответственно, для конкуренции за передачу кадра, принадлежащего AC. AIFS[AC] определяется следующей формулой:
(2.1)
где AIFSN[AC] - целое число, большее нуля;

SIFS (Short Interframe Space – укороченный временной интервал.
Кроме того, счетчик отсрочки (backoff) выбирается из промежутка [1, 1+CW[AC]] вместо [0, CW], как в DCF. В основном, чем меньше AIFS[AC] и CW_min[AC], тем меньше задержка доступа к каналу для соответствующей категории доступа и, следовательно, увеличивается доля пропускной способности для данного состояния трафика. Однако вероятность столкновений увеличивается при работе с меньшим CW_min[AC]. Эти параметры могут использоваться для того, чтобы различать доступ к каналу между различными приоритетными трафиками.
Таблица 2.1 – Приоритет для категорий доступа

Приоритетm	Категория доступа	AC	Название AC			AIFSN
0, 1, 2	AC_BK	0	Background			2
3	AC_BE	1	Best Effort			1
4, 5	AC_VI	2	Video			1
6, 7	AC_VO	3	Voice			1