Автоматика и телемеханика, № 10, 2013
© 2013 г. А.Н. КРАСИЛОВ, А.И. ЛЯХОВ, д-р техн. наук, Ю.И. МОРОЗ
(Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН, Москва)
АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕХАНИЗМОВ СЛУЧАЙНОГО И ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО ДОСТУПА К КАНАЛУ В СЕТЯХ WI-FI MESH 1
Разработана аналитическая модель, позволяющая оценить степень взаимного влияния соединений между станциями сети Wi-Fi Mesh, в которых используются различные механизмы доступа к каналу, определенные стандартом IEEE 802.11s: механизм случайного доступа и механизм детерминированного доступа, основанный на предварительном резервировании канала. Модель применяется для сравнения эффективности различных способов отсчета слотов отсрочки, предложенных в работе для обеспечения взаимодействия двух механизмов. Кроме того, с помощью модели проводится анализ влияния способа размещения интервалов резервирований, устанавливаемых с помощью механизма детерминированного доступа, на пропускную способность станций, использующих механизм случайного доступа.
1. Введение
В последние годы во всем мире наблюдается повышенный интерес к построению многошаговых беспроводных самоорганизующихся сетей (МБСС) с распределенным управлением. В отличие от традиционных сетей с архитектурой "клиент-базовая станция" такие сети лучше масштабируются, обладают большей зоной покрытия, высокой отказоустойчивостью, а также адаптивны к изменению топологии и условий передачи. На данный момент наиболее зрелой технологией МБСС являются сети Wi-Fi Mesh, описываемые стандартом IEEE 802.11s [1], являющимся дополнением к базовому стандарту IEEE 802.11 [2]. Одной из ключевых задач при построении МБСС является задача обеспечения множественного доступа станций сети к беспроводному каналу. Согласно стандарту IEEE 802.11s для осуществления доступа к каналу (Mesh Coordination Function, MCF) станции могут использовать два различных механизма: механизм случайного доступа (Enhanced Distributed Channel Access, EDCA) и механизм детерминированного доступа (MCF Controlled Channel Access, MCCA). Кратко опишем каждый из них.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 12-07-33067), Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение № 8330) и за счет средств проекта FLAVIA седьмой рамочной программы FP7 Европейского Союза.
Механизм EDCA является полностью распределенным. Каждая станция самостоятельно принимает решение о начале передачи, используя для этого механизм прослушивания несущей и избегания коллизий (Carrier Sense Multiple Access With/Collision Avoidance, CSMA/CA). Прежде чем начать передачу, каждая станция сети, убедившись, что среда была свободна в течение интервала времени AI F S (Arbitration Interframe Space), выжидает случайно выбранный интервал отсрочки. Интервал отсрочки состоит из слотов постоянной длительности а, а количество этих слотов равновероятно выбирается из множества [0,CW], где величина CW называется конкурентным окном (Contention Window). Значение счетчика уменьшается на единицу, если в течение всего предшествующего слота канал воспринимался как свободный. Отсчет слотов отсрочки приостанавливается, когда канал в восприятии данной станции становится занятым. В следующий раз значение счетчика слотов отсрочки уменьшится только тогда, когда канал окажется свободным в течение интервала AI F S, если прием последнего кадра, зафиксированного данной станцией, был успешен, или EIFS (Extended Interframe Space), если прием неудачен. Когда счетчик отсрочки достигает нулевого значения. станция предпринимает очередную попытку передачи. При первой попытке передачи кадра данных конкурентное окно равно своему минимально возможному значению CWmin. При последующих попытках окно увеличивается в соответствии с правилом двоичной экспоненциальной отсрочки (например, см. [3]).
В отличие от механизма EDCA, при использовании которого станции начинают передачу в случайный момент времени, механизм детерминированного доступа MCCA позволяет станциям получить бесконкурентный доступ к среде в заранее зарезервированные временные интервалы. MCCA-резервирование представляет собой набор временных интервалов одинаковой длительности, расположенных на равном расстоянии друг от друга (называемом далее периодом MCCA-резервирования). Будем называть станцию, установившую MCCA-резервирование, владельцем резервирования или MCCA-станцией, а станцию-получателя - адресатом резервирования. Внутри интервалов резервирования MCCA-станция может начинать передачу сразу же после того, как среда была свободна в течение интервала времени PIFS (Point coordination function Interframe Space), который меньше интервала AI F S (PIFS < AIFS)2, что, в свою очередь, гарантирует MCCA-станции бесконкурентный доступ к среде. Соседи владельца и адресата резервирования не могут начать передачу внутри интервалов резервирования, так как в начале каждого интервала резервирования взводится специальный таймер, называемый RAV (Resource Allocation Vector), на всю длительность интервала резервирования. Если у станции взведен таймер RAV, то для неё среда передачи виртуально занята и она воздерживается от передачи. Если внутри интервала резервирования станция получает кадр данных или кадр подтверждения от владельца или адресата резервирования, то таймер RAV сбрасывается. Далее доступ к среде продолжает осуществляться согласно правилам EDCA.
2 Здесь и далее в формулах AIFS и PIFS обозначают также длительность соответствующего временного интервала.
Отметим, что согласно стандарту [1] для доступа к каналу станции могут использовать как механизм EDCA, так и механизм MCCA. Поэтому чтобы обеспечить совместную работу двух механизмов, в стандарте вводятся ограничения как на механизм MCCA, так и на механизм EDCA. Рассмотрим данные ограничения подробнее.
Во-первых, стандарт ограничивает долю временных ресурсов канала, которая может быть зарезервирована с использованием механизма MCCA. Станция может устанавливать новое MCCA-резервирование, если доля ресурсов канала MAF (MCCA Access Fraction), используемых под MCCA-резерви-рования данной станцией и ее соседями, не превышает величину MAF Limit. Во всех интервалах, не занятых MCCA-резервированиями, станции могут осуществлять доступ к каналу с использованием механизма EDCA. Таким образом, для станций, использующих для доступа к каналу механизм EDCA, гарантирована доля ресурсов 1 — MAF Limit.
С другой стороны, чтобы обеспечить бесконкурентный доступ внутри интервалов MCCA-резервирования, стандарт запрещает станциям, использующим механизм EDCA, начинать передачу, если планируемая передача пересечет интервал резервирования соседней станции. Рассмотрим ситуацию, когда станция, использующая механизм EDCA (станция А), отсчитала слоты отсрочки (т.е. значение ее счетчика отсрочки равно нулю), а планируемая передача пересекает интервал резервирования соседней станции. В этом случае согласно описанному выше правилу станция А вынуждена отложить свою передачу до окончания передачи внутри интервала резервирования. Если значение счетчика отсрочки станции А оставить равным нулю, то спустя интервал AIFS после окончания передачи станция А предпримет очередную попытку передачи. Ввиду того, что длительность слота а значительно меньше времени передачи кадра данных, с большой вероятностью другая станция В также может отсчитать слоты отсрочки до начала интервала резервирования и предпримет попытку передачи одновременно со станцией А, что приведет к неминуемой коллизии. Данные рассуждения приводят к выводу, что необходимо внести изменения в правила отсчета слотов отсрочки таким образом, чтобы после окончания передачи внутри интервала резервирования станции, использующие механизм EDCA, по возможности, имели разные значения счетчиков отсрочки. В данной статье предложены и исследованы два способа отсчета слотов отсрочки для случая, когда планируемая передача пересекает интервал резервирования соседней станции.
Способ 1 (с замораживанием отсчета слотов отсрочки). Если значение счетчика отсрочки станции A равно нулю и планируемая передача пересекает интервал резервирования соседней станции, то станция A должна выбрать новое значение счетчика отсрочки при том же значении конкурентного окна и отложить отсчет слотов отсрочки до окончания передачи кадров внутри интервала резервирования.
Способ 2 (с непрерывным отсчетом слотов отсрочки). Если значение счетчика отсрочки станции A равно нулю и планируемая передача пересекает интервал резервирования соседней станции, то станция A должна выбрать новое значение счетчика отсрочки при том же значении конкурентного окна и продолжить отсчет слотов отсрочки.
Следует отметить, что существует огромное количество публикаций, которые отдельно исследуют как механизм детерминированного доступа [4, 5], так и механизм случайного доступа (см., например, [3, 6, 7]). В данной статье впервые предложен метод оценки эффективности взаимодействия этих механизмов между собой. В разделе 2 разработана аналитическая модель, которая учитывает особенности предложенных выше способов отсчета слотов отсрочки и позволяет оценить влияние работы механизма MCCA на пропускную способность станций, использующих механизм EDCA (далее EDCA-станций). В разделе 3 представлены численные результаты сравнения двух способов отсчета слотов отсрочки, а также анализируется влияние размещения интервалов MCCA-резервирования на пропускную способность EDCA-станций. Показано, что при фиксированной доле ресурсов канала, выделенных под MCCA-резервирование, пропускная способность EDCA-станций существенно зависит от способа размещения интервалов MCCA-резервирования. В разделе 4 представлены выводы о целесообразности использования того или иного способа отсчета слотов отсрочки и о предпочтительном способе размещения интервалов MCCA-резервирования.
2. Аналитическая модель
Рассмотрим два соединения сети Wi-Fi Mesh: A^B и C^D. Станция A передает станции B поток данных постоянной интенсивности (период поступления пакетов T, размер каждого пакета Lm ), используя для передач
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.