диссертация. Талғатұлы Т Диссертация. Республики казахстан
 Скачать 2.81 Mb.
|
|
На рисунке 2.2 представлен принцип работы MAC 802.11eс четырьмя очередями передачи, где каждая очередь ведет себя как единый расширенный конкурирующий объект DCF, т.е. AC, где каждая очередь имеет свой собственный AIFS и поддерживает свой собственный BC (BC [AC] представляет собой счетчик отсрочки для очереди, соответствующей AC) сталкивающихся кадров, а другие выполняют backoff с увеличенными значениями CW.  Рисунок 2.2 – Виртуальные очереди передачи для EDCA В случае наличия более одной AC, заканчивающих отсрочку в одно и то же время, обрабатывается коллизия виртуально: выбирается и передается кадр с наивысшим приоритетом среды. 2.1.2 Механизм опроса Рассмотренный выше механизм является базовым для протоколов IEEE 802.11 и может использоваться как в беспроводных сетях, функционирующих в режиме Ad-Hoc, так и в сетях, функционирующих в режиме Infrastructure, то есть в сетях, инфраструктура которых включает точку доступа (Access Point, AP). Однако для сетей в режиме Infrastructure более естественным является иной механизм регламентирования коллективного доступа, известный как механизм опроса. В случае задействования механизма опроса один из узлов сети (точка доступа) является центральным, и на этот узел возлагается задача управления коллективным доступом всех остальных узлов сети к среде передачи данных на основе определенного механизма опроса или исходя из приоритетов узлов сети. Таким образом, APопрашивает с помощью пакета опроса (Poll) все узлы сети, внесенные в его список, и на основании этого опроса организует передачу данных между всеми узлами сети. Важно отметить, что такой подход полностью исключает конкурирующий доступ к среде (как в случае механизма конкуренции) и делает невозможным возникновение коллизий, а для времязависимых приложений гарантирует приоритетный доступ к среде. Таким образом, механизм опроса может использоваться для организации приоритетного доступа к среде передачи данных. На рисунке 2.3 представлен принцип работы механизма опроса.  Рисунок 2.3 – Принцип работы механизма опроса HCCA в IEEE 802.11e представляет собой расширенную версию устаревшего PCF, которая обеспечивает QoS. Как только AP получает контроль среды, она начинает доставлять параметризованный трафик нисходящей линии связи в STA и выдает QoS кадры опроса (QoS CF-Poll) тем STA, которые запросили параметризованные сервисы с восходящей линией (uplink). QoS CF-Poll кадры включают в себя длительность TXOP (Transmission Opportunity), предоставленную STA. Если у опрошенной STA есть трафик для отправки, то она может передавать несколько кадров для каждого полученного QoS CF-Poll, учитывая ограничение TXOP, указанное в кадре опроса. Кроме того, чтобы использовать среду более эффективно, STA разрешают совмещать как кадр подтверждения (CF-ACK), так и CF-Poll на кадрах данных. В отличие от PCF HCCA работает как во время CFP (Contention Free Period), так и в CP (Contention Period). Во время CFP STA не могут бороться за среду, так как их вектор распределения сети NAV установлен, и поэтому AP имеет свободный доступ к среде. Во время CP AP может также использовать свободный доступ к среде сразу, как только среда становится неактивной, чтобы предоставить параметризованный трафик нисходящей линии связи или отправить QoS CF-Poll. Это достигается за счет использования самого высокого приоритета EDCA, то есть AIFS = PIFS и CWmin = aCWmax = 0. Минимальное время доступа любой AC к среде - это DIFS, длина которого больше, чем у PIFS. На рисунке 2.4 показана работа IEEE 802.11e HCCA в суперкадре.  Рисунок 2.4 – Работа IEEE 802.11e HCCA в суперкадре 2.2. Анализ преимуществ и недостатков механизмов конкуренции и опроса Преимуществами механизма конкуренции является простота и справедливость распределения ресурса между STA: каждая станция должна повторно конкурировать за канал после каждой передачи, все станции имеют равную вероятность получить доступ к каналу после каждого IFS. Однако, если рассматривать ситуацию с точки зрения QoS, то возникает вопрос в необходимости поддержки справедливого обслуживания. Ясно, что различные требования приложений к задержке и пропускной способности не поддерживаются с использованием устаревшего механизма конкуренции. Как показали исследования, механизм конкуренции не может поддерживать услуги с жесткими требованиями по задержке. Такие услуги, как правило, должны обслуживаться с минимально возможной задержкой. Для механизма DCF не существует возможности обеспечения такой минимальной задержки. Таким образом, механизм EDCA был предложен с новой функцией – дифференцирование трафика, чтобы защищать данные высокого приоритета от данных низкого приоритета. Применение концепции дифференцирования трафика в механизме конкуренции реализовать несложно, потому что достаточно изменить ожидаемое время, backoff-time, для каждого типа трафика, и таким образом разделить их согласно разным приоритетам. Это существенное преимущество в поддержке QoS с помощью механизма конкуренции. Однако следует отметить, что главный недостаток EDCA заключается в том, что он не может обеспечить QoS в реальном времени из-за принятого механизма доступа к среде на основе конкуренции. Более того, эта проблема особенно важна, когда сеть становится перегруженной, потому что EDCA не поддерживает какой-либо механизм управления допуском (admission control). В то же время механизм опроса AP поддерживает список опроса станций. Если станции в списке сортируются по приоритетам, чтобы мультимедиа трафик был передан раньше, чем остальные виды трафика (background, best-effort), то механизм опроса также может хорошо обеспечить QoS. Хотя механизм конкуренции может легко классифицировать и приоритезировать трафик, есть серьезная проблема, которую необходимо решать – это проблема скрытого узла. Проблема скрытого узла порождает серьезные потери, ухудшается пропускная способность. Проблема незащищенного узла приводит к снижению производительности, порождает интерференцию с разными последствиями, которые были представлены в подразделе 1.2.1. Вышеуказанные проблемы могут быть решены, если заменить механизм конкуренции механизмом опроса, в котором используется стратегия доступа к среде на основе централизованного резервирования, потому что передача управляется точкой доступа упорядоченно (синхронная передача): только станции, которые были опрошены, могут передать данные. Таким образом, можно устранить проблему скрытого узла и коллизии между станциями. Механизм конкуренции показывает свои недостатки яснее в условиях высокой нагрузки или в высокоплотной WLAN. Когда количество конкурирующих станций увеличивается, конкурентное окно (contention window) становится большим. Следовательно, вероятность коллизий возрастает, время, затраченное для переговоров за право доступа к каналу, также увеличивается, что приводит к снижению пропускной способности и увеличению задержки. При этом механизм конкуренции работает эффективнее механизма опроса с точки зрения пропускной способности в сетях с малой нагрузкой, т.е. сетях, в которых только некоторые станции имеют данные для передачи. Это объясняется тем, что расходы (overhead) механизма конкуренции зависят только от количества активных станций. С другой стороны, расходы механизма опроса зависят от общего числа станций. Когда присутствуют несколько узлов, которые не имеют данных для отправки, механизм опроса тратит часть ресурса пропускной способности на попытки опросить такие станции. В небольших сетях механизм опроса порождает большую задержку, так как расходы опроса добавляют задержку опроса. Поэтому использование механизма конкуренции при небольших нагрузках и переключение на механизм опроса при возрастании задержки является предпочтительным. Из вышеуказанного анализа можно сказать, что механизм опроса преобладает в поддержке QoS для мультимедиа трафика и трафика в реальном времени. К сожалению, у этого механизма есть несколько недостатков, которые делают его менее привлекательным для QoS: - низкая пропускная способность из-за расходов, вызванных кадрами опроса и станциями, у которых нет данных для передачи; - неэффективный алгоритм циклического планирования; - отсутствие информации относительно условий канала, такой как текущее количество ожидающих кадров в станции и скорость передачи данных на физическом уровне; - потенциальные коллизии, вызванные станциями в соседнем BSS; - непредсказуемое время передачи опрошенных станций; - отсутствие механизма или четкого описания для управления или обновления списка опросов. Кроме того, следует отметить, что механизм опроса используется не отдельно, а в сочетании с механизмом конкуренции в супер-периоде (superframe period). Поэтому можно сказать, что для поддержки QoS в WLAN необходимо координировать использование указанных двух механизмов в соответствии с их особенностями работы: Механизм конкуренции следует использовать, когда количество STA небольшое, нагрузка невелика и превалируют данные приложений, не чувствительных к задержкам. Механизм опроса следует использовать в высокоплотной WLAN, он подходит для передачи данных приложений, чувствительных к задержкам. 2.3 Имитационное моделирование для анализа возможности механизмов конкуренции и опроса в поддержке QoS В этой части используем моделирование в OPNET для того, чтобы доказать несколько утверждений, отмеченных выше. Для простоты в качестве примера возьмем DCF и PCF, которые являются яркими представителями механизма конкуренции и механизма опроса соответственно. Задержка, количество попыток повторной передачи и пропускная способность сети используются в качестве критериев для сравнения. Сначала построим беспроводную сеть: WLAN с одной AP и восемью STA, канал установлен в 1. Время выполнения моделирования 30 минут для каждого сценария. Другие параметры устанавливаются по умолчанию в OPNET. Создаем следующие сценарии: cценарий 1: 8 STA используют DCF для передачи немультимедиа трафика (HTTP трафик (Heavy Browsing)); cценарий 2: 8 STA используют DCF для передачи мультимедиа трафика (VoIP (параметры по умолчанию в OPNET)); cценарий 3: 8 STA используют PCF для передачи немультимедиа трафика (HTTP трафик (Heavy Browsing)); - cценарий 4: 8 STA используют PCF для передачи мультимедиа трафика (VoIP (параметры по умолчанию в OPNET)). Далее изменим количество STA с 8 на 16, 24, 32. В каждом случае используются 4 разных типа трафика: Voice (VoIP), Video (Video Conferencing – High Resolution Video), HTTP (Heavy Browsing), FTP (High Load). Эти типы трафика равномерно распределены между STA: например, количество STA 8, из них 2 STA передают один тип трафика; количество STA 16, из них 4 STA передают один тип трафика и т.д. Таким образом, сформируем сценарии следующим образом: - сценарии 5, 7, 9 и 10: 8, 16, 24 и 32 STA соответственно передают 4 типа трафика посредством механизма DCF; - сценарии 6 и 8: 8 и 16 STA соответственно передают 4 типа трафика посредством механизма DCF для немультимедиа трафика, посредством механизма PCF для мультимедиа трафика. После получения результатов моделирования, выполним сравнение результатов: - сценарий 1 и сценарий 2 (рисунок 2.5). Результаты показывают, что при использовании механизма конкуренции задержка мультимедиа трафика больше задержки немультимедиа трафика на 91%. Это означает, что механизм конкуренции более подходит для передачи немультимедиа трафика.  Рисунок 2.5 – Сравнение сценариев 1 (сплошная) и 2 (штриховая) по задержке - сценарий 2 и сценарий 4 (рисунок 2.6). Результаты показывают, что при использовании механизма конкуренции и механизма опроса для мультимедиа трафика задержка для механизма опроса меньше на 13%. Это означает, что механизм опроса поддерживает QoS лучше, чем механизм конкуренции. - сценарий 1 и сценарий 3 (рисунок 2.7). Результаты показывают, что при использовании механизма опроса количество попыток повторной передачи значительно уменьшается (на 98%), потому что происходит меньше коллизий.  Рисунок 2.6 – Сравнение сценариев 2 (сплошная) и 4 (штриховая) по задержке  Рисунок 2.7 – Сравнение сценариев 1 (сплошная) и 3 (штриховая) по количеству попыток повторной передачи - сценарии 5, 7, 9, 10 (рисунок 2.8). Результаты показывают, что при увеличении количества STA задержка также увеличивается при использовании механизма конкуренции. Конкретнее, задержка увеличивается на 95% и 58% при изменении количества STA от 8 до 24 STA и от 24 до 32 STA соответственно. Количество попыток повторной передачи растет на 81% и 34% соответственно. сценарий 5 и сценарий 6 (рисунки 2.9 и 2.10). Результаты показывают, что при малом количестве STA пропускная способность при использовании механизма конкуренции больше, чем при использовании механизма опроса на 3%, а задержка меньше на 22%.  Рисунок 2.8 – Сравнение сценариев 5 (штрихпунктирная), 7 (короткая штриховая), 9 (длинная штриховая), 10 (сплошная) по задержке  Рисунок 2.9 – Сравнение сценариев 5 (сплошная) и 6 (штриховая) по задержке  Рисунок 2.10 – Сравнение сценариев 5 (сплошная) и 6 (штриховая) по пропускной cпособности сценарий 7 и сценарий 8 (рисунки 2.11 и 2.12). Результаты показывают, что когда количество STA увеличивается, то задержка при использовании механизма конкуренции увеличивается на 12% по сравнению с использованием механизма опроса, а пропускная способность уменьшается на 4%.  Рисунок 2.11 – Сравнение сценариев 7 (сплошная) и 8 (штриховая) по пропускной cпособности  Рисунок 2.12 – Сравнение сценариев 7 (сплошная) и 8 (штриховая) по задержке Итак, проанализированы преимущества и недостатки в поддержке качества обслуживания механизмов конкуренции и опроса. Из анализа следует, что только комбинация механизма конкуренции и механизма опроса может улучшить способность поддерживать QoS в WLAN. Однако, такая комбинация недостаточна, потому что существуют другие проблемы, которые необходимо решить для достижения лучшей производительности сети, например, проблема расхода опроса, метод планирования трафика на MAC-уровне, способность поддержки VBR (Variate Bit Rate) трафика. 2.4 Выводы по второй главе 1. Проведен анализ преимуществ и недостатков механизмов конкуренции и опроса в IEEE 802.11. На основе этого анализа предложено несколько рекомендаций в использовании и переключении между этими двумя механизмами для повышения способности поддерживать качество обслуживания. Механизм конкуренции следует использовать, когда количество STA небольшое, нагрузка невелика и превалируют данные приложений, не чувствительных к задержкам. Механизм опроса следует использовать в высокоплотной WLAN, он подходит для передачи данных приложений, чувствительных к задержкам. Таким образом, на основании результатов анализа можно заключить, что только комбинация механизма конкуренции и механизма опроса может улучшить способность поддерживать QoS в WLAN сети. 2. Проведено имитационное моделирование для демонстрации возможностей механизмов конкуренции и опроса в области поддержки QoS. Результаты показывают, что механизм конкуренции более подходит для передачи немультимедиа трафика и механизм опроса поддерживает QoS лучше, чем механизм конкуренции. 3. Предложен механизм приоритезации для обеспечения минимизации задержки в условиях конкурентной среды в высокоплотной WLAN сети. Этот механизм состоит из двух этапа DCF_out и PCF_in. Сформирован приоритетный список опроса с параметрами m и k, а также введена процедура определения значений [x, y] для выбора random(), которое используется в процессе DCF_out между АР. |