Автоматика и телемеханика, № 9, 2013
© 2013 г. А.Н. КРАСИЛОВ, А.И. ЛЯХОВ, д-р техн. наук,
Д.М. ОСТРОВСКИЙ, Е.М. ХОРОВ, канд. техн. наук (Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН, Москва)
МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ КАНАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ПОТОКОВ В СЕТЯХ WI-FI MESH1
Для повышения надежности передачи данных в стандарте сетей Wi-Fi Mesh в дополнении к базовому механизму случайного доступа к каналу (EDCA) вводится механизм детерминированного доступа (MCCA), который позволяет станциям получать бесконкурентный доступ к каналу в заранее зарезервированных временных интервалах. Благодаря этому данный механизм удобно использовать для передачи мультимедийных потоков реального времени, предъявляющих определенные требования к качеству обслуживания. Однако передача пакетов даже в зарезервированных временных интервалах подвержена влиянию помех, а длительная процедура резервирования временных интервалов не позволяет «на лету» менять объем ресурсов, используемых для передачи потока. В работе предложен метод динамического управления объемом резервируемых канальных ресурсов, учитывающий особенности механизма детерминированного доступа и обеспечивающий выполнение требований к качеству обслуживания.
1. Введение
Стремительный рост числа устройств беспроводной связи и все возрастающие объемы мультимедийного трафика реального времени ставят под сомнение возможность современных централизованных беспроводных сетей с единственной базовой станцией, имеющей большую зону покрытия, справиться с пользовательской нагрузкой. Поэтому сегодня наблюдается развитие технологий беспроводных сетей, состоящих из множества базовых станций, каждая из которых имеет небольшую зону покрытия, но зато может использовать высокие скорости передачи данных [1]. Чтобы обеспечить связность сети, состоящей из нескольких базовых станций, удаленных друг от друга, станции соединяются друг с другом проводными или беспроводными каналами связи. Использование проводных соединений затрудняет развертывание и обслуживание сетей с большим числом станций и тем самым ограничивает их развитие. Этого недостатка лишены сети, построенные исключительно на беспроводных технологиях. Пожалуй наиболее ярким примером здесь являются многошаговые децентрализованные сети Wi-Fi Mesh, описанные в стандарте
1 Работа поддержана грантом Министерства образования и науки России (соглашение № 8731 от 01.10.2012).
IEEE 802.11s [2]. Эффективность работы беспроводной сети существенным образом зависит от используемых механизмов доступа к каналу. Являясь развитием технологии Wi-Fi, Wi-Fi Mesh по умолчанию применяет механизм конкурентного (случайного) доступа к каналу (Enhanced Distributed Channel Access, EDCA).
Механизм конкурентного доступа предоставляет возможность всем станциям на равных условиях принимать участие в борьбе за доступ к каналу, используя для этого метод прослушивания несущей с избеганием коллизий (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance, CSMA/CA). Разработанный для случая, когда все станции находятся в зоне слышимости друг друга, этот метод оказался неспособным обеспечить высокую надежность передачи данных между двумя соседними станциями в многошаговой сети из-за так называемого эффекта скрытых станций [3, 4]. Кроме того, случайный характер доступа к каналу не позволяет гарантировать предоставление требуемого качества обслуживания (Quality of Service, QoS), что является критичным для передачи мультимедийных данных реального времени. Чтобы решить эти проблемы, стандарт IEEE 802.11s [2] в дополнение к существующему механизму конкурентного доступа к каналу вводит новый механизм детерминированного доступа (Mesh coordination function Controlled Channel Access, MCCA).
В отличие от механизма конкурентного доступа, при использовании которого станции получают доступ к каналу в случайный момент времени, механизм детерминированного доступа обеспечивает станциям доступ к каналу в заранее зарезервированных временных интервалах. Согласно стандарту [2] каждое резервирование, установленное между передатчиком и приемником, представляет собой набор временных интервалов одинаковой длительности,
расположенных на равном расстоянии друг от друга. Внутри этих интервалов
2
доступ к среде получают только передатчик и приемник , а их одношаговые соседи (т.е. станции, находящиеся в непосредственной радиослышимости передатчика и приемника) обязаны воздерживаться от передачи.
Для того, чтобы установить новое резервирование, станции выполняют следующую процедуру. Сначала передатчик определяет интервалы времени, в которых может быть установлено новое резервирование. Согласно стандарту эти интервалы не должны быть заняты резервированиями одношаговых соседей как передатчика, так и приемника. Затем передатчик и приемник договариваются о параметрах резервирования, обмениваясь служебными сообщениями, которые передаются с помощью механизма конкурентного доступа. После того, как им удалось договориться о параметрах нового резервирования, передатчик и приемник оповещают о резервировании всех своих одно-шаговых соседей, и только после этого данное резервирование может быть использовано для передачи данных.
Обычно оповещение соседних станций об установлении новых или закрытии существующих резервирований происходит с помощью служебных сообщений, которые передаются в синхрокадрах, называемых биконами (от англ.
2 Если используется политика квитирования, приемник может передавать кадр подтверждения в ответ на успешно принятый кадр данных.
2* 35
beacon). Так как период передачи биконов на несколько порядков превышает длительность передачи отдельного кадра данных, то промежуток времени от момента принятия решения об установлении резервирования до непосредственного использования этого резервирования может быть значительным. Иными словами, изменение объема зарезервированных канальных ресурсов происходит с некоторым запаздыванием. Тем не менее механизм детерминированного доступа оказывается удобным для передачи потоковых данных.
Рассмотрим, как с помощью механизма детерминированного доступа можно организовать передачу потока постоянной интенсивности (например, голосового потока) между двумя станциями. Пусть для потока известны размер L кадра данных на канальном уровне, интервал T между поступлением двух последовательных кадров в очередь на передающей станции, а также требования QoS: максимально допустимая доля потерянных кадров PLRQoS и максимально допустимое время доставки DQoS.
Если предположить, что передачи кадров внутри интервалов резервирования всегда успешны, то достаточно установить одно резервирование, выбрав период следования интервалов резервирования, равный T, и длительность каждого интервала, достаточную для передачи кадра данных размером L. Таким образом, для каждого кадра данных будет осуществляться ровно одна попытка передачи. Однако, как показывают многочисленные исследования (см., например, [5, 6]), передача кадров даже внутри зарезервированных интервалов подвержена влиянию помех, которые обусловлены следующими причинами. Во-первых, помехи могут быть вызваны случайным шумом, который всегда присутствует в беспроводном канале. Во-вторых, согласно стандарту [2] станции, которые находятся вне одношаговой окрестности от станций, установивших резервирование, могут осуществлять передачу в течение этого резервирования, причем как с использованием конкурентного доступа, так и с использованием детерминированного доступа, т.е. интерферировать с передачей внутри интервала резервирования. Как показано в [6], в определенных случаях интерференция может приводить к значительному снижению вероятности доставки кадра данных и, как следствие, нарушению требований QoS. Поэтому, для того чтобы обеспечить выполнение требований QoS, при резервировании канала необходимо учитывать возможные повторные передачи, число которых, в свою очередь, определяется интенсивностью помех в канале. Важно отметить, что так как помехи могут быть вызваны интерференцией от станций, использующих механизм конкурентного доступа, то характерное время изменения интенсивности помех может оказаться меньше, чем время, необходимое для резервирования канала с помощью механизма детерминированного доступа.
В данной работе рассматривается следующая схема резервирования ресурсов для организации повторных передач. Для передачи потока устанавливается N одинаковых резервирований с периодом T, так чтобы каждый пакет имел ровно N попыток передачи (см. рис. 1). Как уже отмечалось выше, число резервирований N должно динамически выбираться таким образом, чтобы при текущей интенсивности помех требование на долю потерянных кадров PLRQoS было выполнено. В свою очередь, требование на задержку будет всегда выполнено, если окончание интервала резервирования, соответ-
| | кадр данных
Рис. 1. Схема резервирования ресурсов для передачи потока постоянной интенсивности.
ствующего последней попытке передачи, расположено не дальше, чем от времени поступления кадра данных в очередь на передающей станции.
Итак, для того чтобы с помощью механизма детерминированного доступа организовать передачу потока данных с гарантированным качеством обслуживания, требуется: (а) оценить интенсивность помех в канале и (б) в зависимости от текущей интенсивности помех назначить число резервирований, необходимое для выполнения требований QoS. При этом очевидно, что число резервирований N должно выбираться минимально возможным, т.е. так, чтобы при передаче потока использовался минимальный объем канальных ресурсов.
Для решения задач (а) и (б) в данной работе предложен метод динамического управления объемом резервируемых канальных ресурсов, который на основе статистики передачи кадров в установленных резервированиях оценивает интенсивность помех в канале и изменяет набор резервирований (т.е. закрывает существующие или устанавливает дополнительные резервирования) таким образом, чтобы выполнить требования QoS.
Дальнейшее изложение работы построено следующим образом. В разделе 2 приведена формальная постановка задачи и сформулиров
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.