диссертация. Талғатұлы Т Диссертация. Республики казахстан
 Скачать 2.81 Mb.
|
|
3. Расчет параметров исследуемого объекта 3.1 Механизм мультиопроса на основе приоритезации Список опроса является логической конструкцией, которая используется в механизмах опроса (PCF, HCCA). AP должна поддерживать список опроса при выборе тех STA, которые могут получать кадры CF-Polls в период CFP. AP будет отправлять CF-Poll по крайней мере одной станции во время каждого CFP, если в списке опроса есть записи. Чтобы получить максимальную эффективность от CFP и возможность комбинирования подтверждений (ACK) в кадрах данных приёмника в противоположном направлении, AP обычно должна использовать наборы типов кадров Data+CF-Poll и Data+CF-ACK+CF-Poll для каждого передаваемого кадра данных пока достаточное время для ответа на CF-Poll остается в пределах CFP. В стандарте IEEE 802.11 расположение списка опроса подробно не определено. Кроме того, точки доступа могут также внедрить дополнительные методы создания списка опроса, которые выходят за рамки стандарта IEEE 802.11. Таким образом, необходимо создать механизм приоритезации для создания списка опроса с разными приоритетами для лучшей поддержки QoS. Как было указано выше, список опроса будет использоваться в CFP для опроса STA. В соответствии со стандартом IEEE 802.11 AP использует механизм Round-Robin для опроса станций. Однако эта стратегия оказалась неэффективна, особенно для передачи пакетированного голоса. На рисунке 3.1 показан пример передачи кадров в периоде без конкуренции  Рисунок 3.1 - Пример передачи кадров в периоде без конкуренции Точка доступа предполагает, что все станции в своем списке опроса имеют пакеты для передачи. Когда AP использует схему Round-Robin, AP опрашивает все станции в списке опроса в заданном порядке, даже если у некоторых станций нет пакетов. Если есть мало станций, имеющих данные, то этот алгоритм тратит время для опроса «пустых» станций, что увеличивает задержку для тех, у которых есть пакеты для передачи. В этом подразделе рассмотрим недавно предложенные стратегии опроса в WLAN. Вообще говоря, большинство из них расширены исходя из PCF или HCCA. Заметим, что, обращаясь к протоколам на основе опроса, нужно сосредоточиться на ключевых задачах: управление списком опроса, определение последовательности опроса и сокращение расхода опроса. Управление списком опроса означает, что определяется набор станций, подлежащих опросу. Тем не менее, управление в стандарте IEEE 802.11 не может классифицировать трафики, поэтому для смягчения и соблюдения строгой задержки во время передачи нужно другое решение. Существует уже довольно много решений, посвященных этой проблеме, таких как Fixed-Timer-Based CSSR polling, M- Poll, CS-Poll, I-Poll, Variable-Timer-Based, Contention-Based, Simultaneous Polling-and-Signaling Based STRP, Dynamic Descending Array (DDA) и Hybrid DDA and RR (HDR). Помимо управления списком опроса, AP также необходимо определить последовательность опроса (т.е. планировать порядок передачи станций). Важно определить последовательность опроса, чтобы активные станции получили справедливое обслуживание. В работах исследователей предлагается ряд следующих механизмов: Distributed Deficit Round Robin (DDRR), Cyclic Shift Polling, Earliest Deadline First (EDF), Two-Level-Polling, F-Poll, Two-Levels- of-Priorities. Хотя механизм опроса может обеспечить сервисы с детерминированными задержками доступа, он обычно несет значительные расходы опроса. Следовательно, много исследовательских усилий были направлены на сокращение расхода опроса, особенно в поиске решения для опроса нескольких станций. Например, Contention-Free Multipoll, SuperPoll, Real-Time Traffic Indication Map, Isochronous Coordination Function (ICF), CP-Multipolling. Как указано выше, в механизме опроса AP планирует доступ к каналу для всех станций, у которых есть возможность опроса в CFP. Если станция не имеет ожидающих данных, она посылает кадр Null. Если станции не удается отправить либо кадры данных, либо кадр Null, то формируется «тайм-аут» опроса, и AP возобновляет опрос. Когда у большинства станций есть ожидающие данные, последовательный опрос обеспечивает упорядоченный доступ к каналу и уменьшает количество коллизий. Но если несколько станций имеют ожидающие данные, а остальные молчат, то этот механизм приводит к значительному расходу опроса. Ненужные расходы опроса уменьшают утилизацию канала, увеличивают задержку доступа и влияют на джиттер. Таким образом, уменьшение расходов опроса является важной задачей, которую следует решать при реализации механизма опроса. Если цель обеспечить более высокое качество обслуживания голосовых и видеопотоков, то необходима более эффективная схема опроса, которая позволит избежать опроса тех станций, которые могут не отвечать никакими данными. И если есть возможность опросить несколько станций одним кадром опроса вместо опроса каждой станции, то расходы опроса будут значительно уменьшены. 3.1.1. Обзор механизмов одиночного опроса и мультиопроса Механизм мультиопроса, несомненно, является перспективным решением для проблемы расходов опроса и поддержки QoS в WLAN. Поскольку это одна из важных задач, решаемых в диссертации, кратко опишем предложенные ранее механизмы мультиопроса. Кроме того, рассмотрим несколько важных механизмов одиночного опроса. Было предложено отправить «много кадров опроса на одну стан- цию», потому что станция не может отправить несколько MSDU (MAC Service Data Unit), тогда станция может передать много пакетов. Однако это решение значительно увеличивает расходы опроса. В таком случае предложено было создать маркерный буфер (Token Buffer) в точке доступа, позволяющий динамически назначать приоритет каждому голосовому пакету в соответствии с его параметрами, установить список опроса передачи на основе параметров и, наконец, следить за списком опроса для мультиопроса станций. Станция, которая готова передавать данные в реальном времени, имеет три разных состояния: пустое (Empty), запрос (Request) и ожидание для передачи (Wait to Trans- mit (WTT)). Однако процедура запроса STA проходит в DCF, что означает, что эта процедура должна конкурировать с другими процедурами с использованием времени отсрочки. Это приводит к более высокой задержке в высокоплотных средах. Механизм UPCF в является одним из механизмов мультиопроса, кото- рые предлагали использовать приоритет трафика. Он поддерживает VBR (Variable Bit Rate) трафик путем вычисления и использования соответствующего значения TXOP. UPCF использует технологию квитирования связи (handshaking) для обеспечения приоритезации трафика в период CFP. Тем не менее, он не учитывает передачу по нисходящей линии связи и из-за чрезмерного использования сообщений, таких как запрос приоритета, приоритетный ответ, процедура решения конфликтов. Следовательно, эффективность механизма снижается, расходы значительно возрастают. Hybrid-Multipolling механизм (HMM) в компилирует информацию опроса данных CBR и VBR в кадр H-MPoll, чтобы указать порядок передачи в интервале времени. Каждая STA будет следовать записанной информации H-MPoll, чтобы передать свой кадр данных после получения H-MPoll от AP. HMM делит CFP на фиксированный и нефиксированный интервалы времени для двух разных видов данных: CBR и VBR. Механизм отсрочки используется здесь как метод для настройки порядка доступа для станций. Управление передачей происходит с помощью механизма RTS/CTS. Более того, чтобы лучше использовать HMM, авторы предложили контроль допуска (Admission Control), называемый предварительно распределенным контролем допуска (PAC – pre-allocated admission control), чтобы предоставить больше услуг в режиме реального времени. Предложенный механизм, является механизмом мультиопроса. Каждая STA передает только тогда, когда получает достаточное количество сообщений простого опроса (передаются с кадром подтверждения при необходимости), указанное в сообщении мультиопроса. Таким образом, механизм мультиопроса поддерживает порядок доступа к каналу станций через количество сообщений простого опроса, которое STA должна соблюдать перед передачей. Проблема скрытых узлов может быть решена путем поддержания этого порядка. Предложили также использовать кадры мультиопроса в нисходящем канале и OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access), чтобы уменьшить служебные данные сигнализации. Основная идея та же, однако он собирает информацию на основе списка опроса, который уже существует, но авторы не указали, как получить этот список. Использованы счетчики Null кадра для удаления STA из списка опроса. Новая STA будет зарегистрирована в списке опроса путем отправления первого пакета точке доступа в CP в текущем суперкадре с использованием другого уровня приоритета. Они также предложили расширить список опроса, чтобы воспользоваться избыточностью CFPMaxDuration. Использован подход гибридного CSMA/CA и механизма опроса в существующем MAC-уровне IEEE 802.11n. Во время изучения возможности реализации мультиопроса на коммерческих устройствах они обнаружили, что можно построить гибридный протокол, состоящий из возможностей DCF и PCF. Кроме того, они добавили алгоритм распределения мощности на основе теории игр для управления мощностью передачи. Существует также много других механизмов и исследований, ориентированных на опрос и мультиопрос. Предлагаемый в данной диссертации механизм мотивирован исследованием, проведённым в работе, в которой авторы предложили использовать два кадра мультиопроса с разными целями. Первый кадр передается для сбора информации, такой как количество ожидающих кадров и скорости передачи физического уровня для линий связи между всеми станциями. Второй кадр содержит последовательность опроса для передачи данных, разработанную на основе собранной информации. Однако этот механизм имеет множество недостатков. Во время процедур сбора данных и передачи данных авторы не рассматривали проблему коллизий, которая может возникнуть из-за проблемы скрытого узла. Кроме того, не указаны порядки сбора и опроса STA. Если кадр мультиопроса поврежден, все STA не будут действовать должным образом. Повторная передача для STA также не рассматривается. Тем не менее, результаты в указывают возможность координации работы точек доступа по IEEE 802.11a и увеличения эффективности WLAN со многими точками доступа при подходящей конфигурации параметров. Таким образом, в данной диссертационной работе предполагается решить вышеуказанные проблемы в новом механизме. 3.1.2. Оценка эффективности механизма мультиопроса с точки зрения расхода опроса Как уже отмечалось, предлагаемый механизм для поддержки QoS в высокоплотных беспроводных локальных сетях со многими точками доступа состоит из двух этапов: DCF_out и PCF_in. В DCF_out, который был представлен в главе 2, точки доступа будут конкурировать друг с другом на основе списка опроса. После окончания конкуренции одна точка доступа выиграет и продолжит обрабатывать downlink-передачи. После завершения downlink-передачи, AP будет ждать в течение интервала SIFS перед началом процесса PCF_in, который представляет собой процесс создания списка опроса для следующего DCF_out (при необходимости), а также uplink-передачи. В начале Beacon-интервала по-прежнему используем Beacon-кадр, чтобы информировать о продолжительности Beacon-интервала (Super Frame) и параметрах CFP. Механизм PCF_in состоит из двух периодов: PLU (Polling List Update) и MPP (Multi-Polling-Prioritized). PLU – это период, в котором при необходимости AP обновляет список опроса для DCF_out в следующем периоде. Процесс обновления происходит в определенном порядке, чтобы избежать коллизии между STA. MPP – это период, в котором AP опрашивает все STA текущей группы m в списке опроса посредством механизма мультиопроса. На рисунке 3.2 представлена общая схема предлагаемого механизма. Этот механизм основан на некоторых предположениях: разница в получении сигнальных кадров станций из AP является незначительной и не учитывается; время, необходимое для передачи кадров обновления информации, одинаково между станциями; мобильность станций не влияет на вовлеченные процессы; под понятием «периода» понимается интервал времени с начала предыдущего CP до конца текущего CFP. На рисунке 3.2 представлен механизм мультиопроса.  Рисунок 3.2 – Предлагаемый механизм мультиопроса 3.2.1 Реализация механизма обновления списка опроса PLU – это период обновления/удаления STA в списке опросов, который будет использоваться в следующем DCF_out для конкуренции за право доступа к среде. Следует отметить, что в каждом MPP-периоде выполнить передачу могут только станции, принадлежащие группе m с наивысшим приоритетом. Если в списке опроса появляются новые станции, которые принадлежат к высокоприоритетным группам m, то уже подключенные станции в низкоприоритетных группах m могут потерять доступ к среде. Во избежание этого PLU-период реализуется, только если текущая группа m является самой большой группой в списке опроса, что также позволит уменьшить время, затраченное на неудачные попытки опроса (рисунок 3.2) и избежать ситуации долгого ожидания станции, имеющей более низкий приоритет. Например, AP1 имеет 4 группы m = 1, 2, 3, 4 и AP2 – 2 группы m = 1, 3. Таким образом, AP1 будет обновлять список опроса в периоде, когда текущая группа m = 4 и AP2 – когда текущая группа m = 3. Процесс в периоде PLU происходит следующим образом: за интервал SIFS после Beacon-кадра (или после СР-периода), AP будет посылать PLU-кадр всем STA. Станции отвечают PLUR-кадрами (Polling List Update Response frames), которые содержат необходимую информацию для создания точкой доступа нового списка опроса и выполнения необходимых расчетов для нового MPP-периода. На рисунке 3.3 показан формат PLU-кадра. Длина PLU-кадра зависит от количества STA, принадлежащих данной BSS. На рисунке 3.3 поле Indicator состоит из подполя AID (Association Identifier), которое идентифицирует станцию в BSS, и подполя Count, которое имеет значения от 0 до (N – k –1). Здесь 𝑘 – это число станций в самой большой группе (текущей группе) m. Это обусловлено тем, что PLU-период реализуется, только если текущая группа m является самой большой группой в списке опроса и поэтому надо собрать информацию только тех станций, которые не принадлежат текущей группе m, т.е. (𝑁−𝑘) станций; N – количество STA в BSS; подполе Count используется для определения порядка обновления/опроса, уменьшения потерь кадров и решения проблемы скрытого узла; BSSID – идентификатор BSS; FCS – последовательность контрольных битов кадра.  Рисунок 3.3 – Формат PLU-кадра На рисунке 3.4 поле Uplink parameters содержит информацию, необходимую для расчета TXOP аналогично TSPEC (Traffic Specification) IEEE 802.11e.  Рисунок 3.4 – Формат PLUR -кадра Следует отметить, что в этой главе фиксированные значения TXOP используются аналогично как в IEEE 802.11e. Расчет значения TXOP. Поле Priority состоит из трех подполей: m, User priority (приоритет поль зователя) и Reserved (резервный). Подполе m указывает приоритет трафика, т.е. группу m станции в новом списке опроса. Подполе User priority может использоваться для поддержки QoS в других решениях, например, классификации и контроля трафика на OpenFlow-коммутаторах с использованием технологии SDN (Software Define Networking). Подполе Reserved зарезервировано для будущего использования. На рисунке 3.4 показан формат PLUR-кадра. Переопределим поле Frame Control в IEEE 802.11-2012, так как согласно стандарту, это поле не используется для поддержки мультиопроса. Для этого используем зарезервированные байты (определяющие тип и подтип) в поле Frame Control (b3 b2, b7-b4) (таблица 3.1). Переопределённое поле Frame Control будет содержать новые параметры (таблица 3.2), при этом ACK-G в будущем можно использовать для снижения рас- ходов кадров ACK как BlockACK. Таблица 3.1 – Допустимые комбинации типов и подтипов поля Frame Control
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||