Збільшення пропускної спроможності мереж рахунок удосконалення протоколу MAC

Подолання обмежень швидкості передачі бездротовим каналом

У статті розглянуто фактори, що обмежують швидкість передачі даних у радіочастотному каналі: ємність каналу, смуга частот та рівень шуму. Описані методи, які застосовуються для збільшення швидкості передачі (в т.ч. у мережах 3G). Виділено їх переваги та недоліки.

Тестування систем зв'язку на устаткуванні JFW Industries

У статті розповідається про можливості приладів для тестування та налагодження систем зв'язку американської компанії JFW Industries, завдяки яким виробники пристроїв, оператори бездротового зв'язку та розробники відповідного програмного забезпечення можуть у лабораторних умовах змоделювати взаємодію компонентів системи для її подальшого налагодження.

Збільшення пропускної спроможності мереж 802.11n рахунок удосконалення протоколу MAC. Частина 1

Сучасний ринок вимагає все більших швидкостей передачі даних, що здійснюється в частотних діапазонах, що не ліцензуються, і розвиток напівпровідникової техніки дало прекрасну основу для реалізації високошвидкісних бездротових мереж. У новому стандарті 802.11n максимальна швидкість передачі збільшилася більш ніж у 10 разів, тоді як на MAC-рівні не вдалося досягти порівняних успіхів. Частина 1 описує деякі зміни та доробки в MAC-протоколі та їх вплив на пропускну здатність мереж.

Реклама наших партнерів

Збільшення пропускної спроможності мереж 802.11n рахунок удосконалення протоколу MAC. Частина 2

У Частині 2 цієї статті (початок див. ЕК10) описані зміни та доопрацювання в MAC-протоколі та їх вплив на пропускну здатність мереж.

Мал. 6. Агрегація A-MPDU

Дворівнева агрегація

Дворівнева агрегація передбачає використання обох видів злиття кадрів - A-MSDU та A-MPDU (див. рис. 7). Підтримка цього виду злиття є опціональною і має декларуватися на етапі, що передує встановленню зв'язку. Цей тип агрегації корисний у таких виняткових випадках, коли має бути передана послідовність MSDU малого розміру. В даному випадку при використанні тільки A-MPDU межа в 64 кванта, що об'єднуються, призводить до того, що істотна частка пропускної здатності залишається незадіяною. Аналогічна ситуація виникає при використанні пакетів даних даних великого розміру для підвищення швидкості передачі.

Мал. 7. Двохрівнева агрегація

Описані способи агрегації даних протоколу відрізняються можливими способами реалізації. Агрегація A-MSDU може бути виконана хост-системою, що дозволяє очікувати надходження необхідної кількості квантів MSDU. На противагу цьому механізму агрегація квантів MPDU виконується власне мережевим інтерфейсом, що обмежує період очікування квантів MPDU ємністю його буфера черг пакетів. При цьому агрегати A-MSDU упаковуються в одиночний MPDU з одним-єдиним номером у черзі. Якщо при передачі MPDU виникає помилка, цю передачу потрібно повторно повторити. З іншого боку, оскільки в агрегаті A-MPDU кожен квант MPDU має свій унікальний код-обмежувач, при виникненні помилок потрібна повторна передача помилкових квантів. І, нарешті, агрегація A-MSDU набагато ефективніша за A-MPDU, т.к. в процесі останньої до кожного субкадр додається повний заголовок MPDU.

Механізм блокового підтвердження

Цей механізм, вперше введений у стандарті 802.11e, у версії 802.11n був зміненийдоопрацьований.

Безумовне блокове підтвердження

Першим удосконаленням стало виключення запиту підтвердження прийому блоку (BAR). Цей запит виключено, т.к. генерація кадру підтвердження є стандартною реакцією отримання пакета A-MPDU. Послідовність обміну при блоковій передачі показана малюнку 8а. Це зменшило надмірність даних, що передаються, і усунуло одне з можливих джерел помилок, пов'язаний з ймовірністю помилкового прийому блочного підтвердження BA. У стандарті 802.11n можлива передача багатьох агрегатів A-MPDU з підтвердженням єдиним кадром BA. У цьому випадку всі, крім останнього, агрегати A-MPDU надсилаються до приймача з встановленою політикою блокового підтвердження, і їх прийом тільки фіксується в статусі прийому на стороні, що приймає. Останній агрегат посилається з ознакою нормального підтвердження, що викликає генерацію і посилку блокового підтвердження, що містить статус всіх прийнятих з моменту посилки попереднього блокового підтвердження агрегатів. Альтернативою цього методу є надсилання всіх агрегатів з ознакою політики блочного підтвердження та спеціального запиту BAR. Ці варіанти показані малюнки 8б і 8в.

Мал. 8. Формування блокового підтвердження

Стиснення блокового підтвердження

Виявилося, що фрагментація та агрегація кадрів погано поєднуються один з одним. Метою фрагментації є поліпшення надійності передачі в зашумленном каналі рахунок розбиття довгого кадру на дрібні фрагменти. Це збільшує можливість правильного прийому кожного фрагмента і зменшує накладні витрати на повторні передачі. У той же час, за хороших умов передачі кадри малого розміру об'єднуються для зменшення частки службової.інформації у загальному потоці даних. Природно, що у стандарті 802.11n фрагментація квантів MSDU, що є частиною агрегату A-MPDU, було заборонено. В результаті в кадрі блокового підтвердження на кожен квант MPDU виявилося достатньо відвести лише 1 біт. Таким чином, довжину такого стисненого сигналу блокового підтвердження виявилося можливим скоротити всього до 64 біт порівняно з 1024 бітами стиснутого пакета BA. Відповідно, він займає менше місця в пам'яті приймача, вимагає меншого часу для передачі і може бути переданий більш завадостійким методом модуляції.

Блокове підтвердження проміжних станів

Система блокових підтверджень стандарту 802.11n вимагає, щоб одержувач забезпечив збереження статусу всіх прийнятих квантів MPDU протягом усіх сесій блочного обміну. Оскільки кадр блокового підтвердження повинен бути негайно згенерований і переданий у відповідь на запит блочного підтвердження, що надійшов, це представляє певну проблему з точки зору компромісу між пам'яттю, що займається, і швидкістю доступу до необхідних даних. У стандарті 802.11n ця проблема вирішується за рахунок можливості зберігати інформацію тільки про деякі останні блокові передачі. Це забезпечується за рахунок перекладання завдання зберігання інформації на сторону, що передає, яка шукає необхідні дані до того, як вони будуть скасовані (і перезаписані) на стороні, що приймає. Якщо відповідний рядок у масиві підтверджень приймача має бути перезаписана до моменту надходження запиту на блочне підтвердження, приймач повинен негайно згенерувати кадр BA з усіма бітами, скинутими в 0. Це викликає повторну передачу всіх квантів MPDU. Типовим сценарієм, у якому використовується подібний механізм, є передача одного або більше агрегатів A-MPDU таотримання відповіді у вигляді блокового підтвердження в ході єдиного періоду TxOP, як показано на малюнку 8.

Протокол зворотної передачі

У деяких додатках, наприклад, під час реалізації протоколів FTP і HTTP, трафік стає істотно асиметричним, тобто. обсяг даних, що передаються в одному напрямку, значно перевищує обсяг даних, що передаються у зворотному. Однак при цьому швидкості передачі в обох напрямках чітко пов'язані, причому швидкість передачі у прямому напрямку визначається затримкою передачі у зворотному. У нормальному режимі роботи це означає, що одержувач має отримати режим сприятливої передачі TxOP та передавати кадри підтвердження прийому. При цьому з'являються дві проблеми: по-перше, виникає затримка передачі сигналу підтвердження і, по-друге, можливості режиму TxOP у зворотному напрямку використовуються вкрай неефективно. Обидві проблеми в стандарті 802.1n вирішуються рахунок введення т.зв. протоколу зворотної передачі RDP (Reverse Direction Protocol). Він дозволяє організувати двонаправлений режим найбільшого сприяння, суть якого полягає в тому, що TxOP надає у користування частину можливостей іншої станції. Цей метод реалізується двома способами — наприклад, передавач у напрямі може виділити час своєму сусідові передачі його кадру підтвердження наприкінці своєї сесії TxOP, чи приймач, отримавши у своє розпорядження TxOP, після отримання очікуваного сигналу підтвердження завершує цю сесію. Таке вдосконалення правил доступу до середовища передачі вимагає дуже малої кількості керуючих сигналів, але експериментальна перевірка показала, що воно здатне збільшити загальну пропускну здатність середовища на 40%.

Управління та використання особливостей пристроївфізичного рівня

І, нарешті, слід зазначити, що на MAC-рівні має бути запущено кілька процесів, що дозволяють належним чином використовувати ті вдосконалення, які були введені у стандарті для фізичного рівня передачі.

Насамперед (і це найбільш важливо) слід отримати матрицю, що керує, яка використовується при формуванні передавального променя. У процесі формування оптимальної діаграми спрямованості передавача він ініціює процедуру встановлення зв'язку, в процесі якої приймач повинен розрахувати і якнайшвидше відправити передачу інформацію про стан каналу зв'язку. При формуванні оптимальної антеної конфігурації приймача він повинен надіслати запит на передачу, що дозволить оптимальним чином налаштувати канал зв'язку. На додаток до цього повинні бути компенсовані всі неузгодженості в аналоговій частині приймального та передавального пристроїв. Передавач запам'ятовує отриману інформацію та використовує її при подальших обмінах даними.

У стандарті 802.11n передбачено 77 різних варіантів конфігурації каналу передачі, що відрізняються кількістю потоків даних, схемою модуляції, швидкістю передачі та смугою пропускання каналів. З цього різноманіття для конкретного каналу вибирається обмежений набір схем, що базується на можливостях приймача та передавача. Блок керування доступом до середовища повинен спробувати вибрати найкращий варіант для конкретного кадру та передати його системі керування на фізичний рівень. Такий вибір не є чимось незмінним і повинен коригуватися відповідно до умов, що змінюються. До прийняття стандарту 802.11n вибір швидкості передачі був завданням виключно передавальної сторони, тоді як у новому стандарті з'явився новий протокол вибору конфігурації (MCS)feedback protocol), що дозволяє передавачу запитати інформацію у приймача до ухвалення рішення про вибір оптимальної швидкості передачі.

Крім цього, система керування доступом до середовища повинна правильно вибрати тип та ступінь агрегації, які будуть використовуватись у процесі обміну даними. Значною мірою такий вибір визначається компромісом між затримками, що виникають при агрегації в процесі передачі, проте довжина кадру визначається ще й поточними умовами передачі.

І, нарешті, система керування доступом повинна забезпечувати зворотну сумісність із пристроями, які підтримують попередні версії стандарту. При цьому пристрої з шириною каналу 20 МГц повинні нормально працювати в мережі разом із пристроями нового стандарту. Для цього MAC-протокол був доповнений функціями, що забезпечують оптимізацію швидкості передачі за наявності радіусу дії пристроїв старих версій та пристроїв з різним рівнем підтримки нового стандарту.

Висновок

На цьому ми закінчимо розгляд модифікацій рівня MAC у стандарті 802.11n. Як зазначалося раніше, швидкості, доступні пристроям ранніх версій стандарту 802.11a/b/g у новій версії збільшилися більш як на порядок. Це стало можливим за рахунок використання одночасно кількох каналів передачі даних через кілька антен, розширення смуги частот тощо. Для того щоб перетворити це прискорення на збільшення швидкості передачі даних, був істотно доопрацьований протокол управління доступом до середовища (MAC-протокол). Метою при цьому доопрацюванні стало зменшення непродуктивних витрат на передачу службової інформації. Основними методами досягнення цієї мети стали різні способи агрегації даних, блокової передачі та підтвердження та оптимізація двонаправленої передачі внерівноправних мережевих протоколах. Крім цього, до протоколу були додані механізми, що підтримують коректну та оптимальну роботу нових функцій фізичного рівня. При реалізації всіх цих удосконалень максимальна швидкість передачі, що фізично досягає 600 Мбіт/с, на MAC-рівні піднялася до 375 Мбіт/с. Фактично це означає, що сучасні бездротові мережі забезпечують ту саму швидкість передачі даних, як і провідні мережі класу 1 Гбіт. З поширенням нового стандарту стає все ближчою заміна дротових мереж Ethernet-стандарту бездротовими.

Автор: Пробір Саркар (Probir Sarkar), інженер ARM