Optymalizacja algorytmów wyboru trybu pracy stacji w sieciach standardu IEEE łączności nomadycznej i ruchomej

Transkrypt

1 Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Rozprawa doktorska Marek Sikora Optymalizacja algorytmów wyboru trybu pracy stacji w sieciach standardu IEEE łączności nomadycznej i ruchomej Optimization of data rate selection algorithms in IEEE networks for nomadic and mobile services Promotor: dr hab. inŝ. Wiesław Ludwin

2 Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Telekomunikacji Al. Mickiewicza 30, Kraków, Polska Tel Fax Copyright Marek Sikora, 013 Wszystkie prawa zastrzeżone

3 Podziękowania Szczególne podziękowania chciałbym złożyć rodzicom oraz promotorowi niniejszej rozprawy.

4

5 Streszczenie Standardy z grupy IEEE a/b/g dopuszczają możliwość pracy stacji abonenckich w wielu różnych trybach, w których transmisja danych odbywa się ze zmienną przepływnością i odpornością na błędy. Wraz z upowszechnieniem się urządzeń typu PDA (Personal Digital Assistant), wyposażonych w interfejsy sieciowe zgodne ze standardem IEEE a/b/g, jak również pojawieniem się łączności między pojazdami w ruchu, tzw. łączności car to car (IEEE 80.11p), zaczęły rozwijać się nowe zastosowania sieci WLAN, charakteryzujące się większą ruchliwością stacji abonenckich, a to z kolei wiązało się z większą dynamiką zmian parametrów kanału radiowego. Ponieważ dotychczasowe, opisane w literaturze algorytmy doboru optymalnych przepływności stacji abonenckich w sieci WLAN nie uwzględniają wyżej wymienionego zjawiska, dlatego dla potrzeb niniejszej rozprawy zaproponowano nowe, oryginalne algorytmy doboru optymalnych przepływności dla stacji abonenckich. Prezentowana praca składa się z siedmiu rozdziałów. W rozdziale pierwszym przytoczono ogólnie znane informacje, dotyczące problematyki rozprawy oraz sformułowano tezę i wymieniono szczegółowe zagadnienia, za pomocą których postanowiono jej dowieść. W rozdziale drugim przedstawiono istotne z punktu widzenia rozprawy właściwości bezprzewodowych sieci lokalnych standardu IEEE W rozdziale trzecim opisano metodologię symulacji sieci bezprzewodowych łączności ruchomej z wykorzystaniem pakietowego symulatora NS-. Rozdział czwarty zawiera przegląd najpopularniejszych, opisanych w literaturze, algorytmów doboru trybu pracy stacji bezprzewodowej. W rozdziale piątym przedstawiono autorski algorytm doboru trybu pracy stacji RADIOMAN oparty na znajomości parametrów ruchowych sieci oraz predykcji stanu kanału radiowego. Kolejny, szósty rozdział zawiera opisy trzech algorytmów SILESiA, EMIRATE oraz LATERAN, będących uproszczonymi wersjami algorytmu RADIOMAN. Rozdział siódmy stanowi podsumowanie oraz wskazuje kierunki dalszych badań.

6 VI STRESZCZENIE

7 Abstract The IEEE a/b/g standards enable mobile stations to use multiple transmission modes characterized by different data rates and resilience against channel induced noise. With the introduction of the wireless LAN enabled PDA (Personal Data Assistant) devices and car-to-car communication (IEEE 80.11p) a new area of the wireless local area network application was born. Since data rate adaptation algorithms used so far are not prepared for such a abruptly changing environment there was a need to develop a new versatile data rate selection algorithm for wireless LAN devices. The dissertation introduces a family of four new algorithms designed to operate in a various radio communication scenarios, ranging from the most popular nomadic scenario to the highly mobile car-to-car use case. The dissertation consists of seven chapters. The first chapter introduces the thesis of the dissertation and methods that will be used to prove it. The second chapter gives an overview of the relevant aspects of the wireless LAN technology and presents the state of the art in the field of data rate adaptation algorithms for IEEE networks. The succeeding chapter presents a methodology of simulation of the multirate wireless networks using the packet based NS- simulator. A derivation and performance evaluation of the new versatile data rate selection algorithm (RADIOMAN) is presented in chapter five. Three modifications of the RADIOMAN algorithm called SILESiA, EMIRATE and LATERAN are derived and their performance is evaluated in chapter six. The last chapter provides final conclusions and presents directions of the further research.

8

9 Spis treści PODZIĘKOWANIA... III STRESZCZENIE... V ABSTRACT... VII SPIS TREŚCI... IX WYKAZ SKRÓTÓW... XI 1. WSTĘP PROBLEMATYKA ROZPRAWY CEL I TEZA ROZPRAWY ORAZ NARZĘDZIA BADAWCZE UKŁAD ROZPRAWY SIECI WLAN STANDARDU IEEE TECHNIKI DOSTĘPU DO KANAŁU RADIOWEGO PROBLEM STACJI UKRYTEJ I ODKRYTEJ TECHNIKI TRANSMISJI DANYCH DSSS I ERP OFDM PROTOKÓŁ PLCP (PHYSICAL LAYER CONVERGENCE PROCEDURE) MODEL SYMULACYJNY SIECI WLAN ZE STACJAMI PRACUJĄCYMI Z WIELOMA PRZEPŁYWNOŚCIAMI WYBRANE MODELE KANAŁÓW Z ZANIKAMI W SIECIACH ŁĄCZNOŚCI NOMADYCZNEJ I RUCHOMEJ ZMODYFIKOWANY W ASPEKCIE ŁĄCZNOŚCI NOMADYCZNEJ I RUCHOMEJ SYMULATOR NS- SIECI WLAN STANDARDU IEEE ALGORYTMY WYBORU TRYBU PRACY STACJI ABONENCKICH W SIECIACH WLAN... 46

10 X SPIS TREŚCI 4.1. ALGORYTMY HEURYSTYCZNE ALGORYTMY OPARTE NA ESTYMACJI PARAMETRÓW KANAŁU PODSUMOWANIE PODSTAWY BUDOWY NOWEGO ALGORYTMU WYZNACZANIA TRYBU PRACY STACJI W SIECI WLAN ŁĄCZNOŚCI NOMADYCZNEJ I RUCHOMEJ OCENA WPŁYWU DŁUGOŚCI RAMKI I NATĘŻENIA RUCHU NA PRACĘ STACJI ABONENCKIEJ KRYTERIUM WYBORU OPTYMALNEGO TRYBU PRACY STACJI W SIECI WLAN PRAWDOPODOBIEŃSTWO UDANEJ TRANSMISJI RAMKI W KANALE Z ZANIKIEM RAYLEIGHA PROCEDURA WYBORU OPTYMALNEGO TRYBU PRACY STACJI STANDARDU IEEE NOWE ALGORYTMY WYZNACZANIA OPTYMALNEGO TRYBU PRACY STACJI W SIECI WLAN ŁĄCZNOŚCI NOMADYCZNEJ I RUCHOMEJ ALGORYTM RADIOMAN (RATE ADAPTATION ALGORITHM FOR MOBILE AND NOMADIC SERVICES) ALGORYTM SILESIA (RECURSIVE LEAST SQUARES RATE ADAPTATION) ALGORYTM EMIRATE (EXPONENTIAL MOVING AVERAGE RATE ADAPTATION) ALGORYTM LATERAN (LAST SAMPLE RATE ADAPTATION ALGORITHM) WNIOSKI I UWAGI KOŃCOWE SPIS LITERATURY ANEKS A MODULACJA CCK

11 Wykaz skrótów AARF AHN AP APN ARF AWGN CARA CCK CHARM COLLIE CSMA-CA CTS DBPSK DCF DFE DIFS DLA DQPSK DSSS EIFS Adaptive Auto Rate Fallback Ad Hoc Networks Access Point Access Point Networks Auto Rate Fallback Additive White Gaussian Noise Collision AwaRe Autorate Complementary Code Keying Channel Aware Rate adaptation algorithm Collision Inferencing Engine Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance Clear To Send Differential Binary Phase Shift Keying Distributed Coordination Function Decision Feedback Equalizer Distributed Inter-frame Space Dynamic Link Adaptation Differential Quaternary Phase Shift Keying Direct Sequence Spread Spectrum Extended Inter-Frame Space

12 XII WYKAZ SKRÓTÓW EMA EMIRATE ERP-OFDM ESS FBM FHSS FLA ICI LATERAN LLC MAC NAV OAR PCF PDA PDU PLCP PMD RADIOMAN RBAR RLS RRA RSSI RTS SGRA SIFS SILESiA WLAN WOOF Exponential Moving Averages Exponential MovIng average rate Adaptation Extended rate PHY Extended Service Set Full Buffer Model Frequency Hopping Spread Spectrum Fast-responsive Link adaptation Algorithm InterCarrier Interference LAsT sample Rate AdaptatioN algorithm Logical Link Control Media Access Control Network Allocation Vector Opportunistic Auto Rate Point Coordination Function Personal Digital Assistant Protocol Data Unit Physical Layer Convergence Procedure Physical Media Dependent Rate ADaptatIon algorithm for Mobile And Nomadic Services Receiver Based Autorate Recursive Least Squares Robust Rate Adaptation Received Signal Strength Indicator Request To Send SNR Guided Rate Adaptation Short Inter-Frame Space recursive LEast Squares rate Adaptation Wireless Local Area Networks Wireless congestion Optimized Fallback

13 WYKAZ SKRÓTÓW XIII

14 1. Wstęp Bezprzewodowe sieci lokalne WLAN (Wireless Local Area Networks) należą do najbardziej dynamicznie rozwijających się obecnie systemów telekomunikacyjnych. Współczesne sieci WLAN umożliwiają stacjom abonenckim pracę z infrastrukturą APN (Access Point Networks), czyli z wykorzystaniem punktów dostępu oraz ad-hoc, czyli w sieci o strukturze okazjonalnej lub improwizowanej AHN (Ad Hoc Networks). Standardy z grupy IEEE a/b/g dopuszczają możliwość pracy stacji abonenckich w wielu różnych trybach, w których przesył danych odbywa się ze zmienną przepływnością i odpornością na błędy transmisji. Zmienną przepływność oraz odporność na błędy transmisji uzyskuje się dzięki zastosowaniu odpowiednich technik modulacji wielopoziomowych oraz schematów kodowania nadmiarowego o różnych współczynnikach sprawności użytego kodu korekcyjnego. Standardy IEEE a/b/g określają sposoby łączenia technik modulacji i kodowania korekcyjnego, definiując tym samym skończoną liczbę możliwych trybów pracy stacji abonenckiej. Dzięki istnieniu wielu różnych trybów pracy, możliwy jest w danej chwili wybór takiej kombinacji techniki modulacji i metody kodowania korekcyjnego, która zapewni z punktu widzenia warunków propagacyjnych panujących w torze radiowym oraz możliwości technicznych stacji abonenckich biorących udział w wymianie danych najbardziej wydajną transmisję informacji. W sieciach standardu IEEE a/b/g odpowiedzialność za wybór odpowiedniego, to znaczy najlepszego z możliwych na daną chwilę czasu trybu pracy, spoczywa na stacji abonenckiej. Przy czym ze względu na zmienność właściwości transmisyjnych toru radiowego wybór optymalnego trybu pracy stacji odbywa się adaptacyjnie. Jedynym ograniczeniem wpływającym na szybkość przejścia stacji abonenckiej z jednego trybu do następnego jest czas trwania pojedynczej ramki.

15 WSTĘP Problematyka rozprawy Standardy IEEE 80.11a/b/g nie opisują metod wyboru optymalnego trybu pracy stacji abonenckiej. Wraz z pojawianiem się kolejnych urządzeń sieciowych zdolnych do pracy w trybie z wieloma przepływnościami zaczęły pojawiać się propozycje kolejnych metod i algorytmów doboru trybu pracy stacji. Istniejące algorytmy doboru optymalnego trybu pracy stacji abonenckiej w sieci WLAN można podzielić na proste algorytmy heurystyczne dobierające przepływność w sposób iteracyjny metodą prób i błędów oraz na algorytmy oparte na estymacji parametrów kanału radiowego. Algorytmy heurystyczne, z uwagi na zbyt wolną zbieżność, nie nadają się do zastosowania w środowiskach radiokomunikacyjnych cechujących się dużą dynamiką zmian funkcji przenoszenia kanału radiowego. W opracowanych do tej pory i opisanych w literaturze algorytmach optymalnego doboru przepływności [holl_01] [kame_97] [bick_05] [chev_03] [kim_07] [pavo_03] [qiao_05] [laca_04] [kim_07] [acha_08], wyboru trybu pracy stacji abonenckich w sieci standardu IEEE dokonywano na podstawie tylko jednej wielkości, którą był albo poziom mocy sygnału odbieranego RSSI (Received Signal Strength Indicator) albo liczba utraconych ramek. Żaden z dotychczas opracowanych algorytmów nie brał pod uwagę rozmiaru nadawanych ramek ani też wielkości natężenia ruchu telekomunikacyjnego generowanego w sieci WLAN. Ponadto większość zaproponowanych algorytmów była przystosowana jedynie do pracy w sieci z infrastrukturą [kame_97] [laca_04] [kim_07] [acha_08] [bick_05], a dokładniej w sieci o architekturze gwiazdy z wyróżnionym punktem dostępowym. Prawie wszystkie algorytmy doboru trybu pracy stacji abonenckiej w sieci WLAN były przeznaczone dla systemów łączności nomadycznej [kame_97] [bick_05] [chev_03] [kim_07] [pavo_03] [qiao_05] [laca_04] [kim_07] [acha_08], w których podczas trwania połączenia terminal użytkownika nie zmieniał swojego położenia, tzn. pozostawał w bezruchu. A to oznacza, że dynamika zmian parametrów kanału była niewielka. Wraz z upowszechnieniem się urządzeń typu PDA (Personal Digital Assistant), wyposażonych w interfejsy sieciowe zgodne ze standardem IEEE a/b/g, jak również pojawieniem się łączności między pojazdami w ruchu, tzw. łączności car to car (IEEE 80.11p), zaczęły rozwijać się nowe zastosowania sieci WLAN charakteryzujące się większą ruchliwością stacji abonenckich, a to z kolei wiązało się z większą dynamiką zmian parametrów kanału radiowego. Ponieważ dotychczasowe, opisane w literaturze algorytmy doboru optymalnych przepływności stacji abonenckich w sieci WLAN nie uwzględniają wyżej wymienionego zjawiska, dlatego dla potrzeb niniejszej rozprawy w celu jego eliminacji zaproponowano nowe, oryginalne algorytmy doboru optymalnych przepływności dla stacji abonenckich. Algorytmy te oparto na wynikach pomiarów poziomu mocy sygnału RSSI na wejściu odbiornika, rozmiaru transmitowanych ramek oraz współczynnika rywalizacji o dostęp do kanału radiowego.

16 16 WSTĘP 1.. Cel i teza rozprawy oraz narzędzia badawcze Celem niniejszej rozprawy było opracowanie takiego algorytmu doboru trybu pracy stacji abonenckiej, który zapewniałby maksymalną przepływność pojedynczej stacji z punktu widzenia warstwy aplikacji. Ponadto algorytm przystosowano do pracy zarówno w sieciach typu ad-hoc, jak i w sieciach z infrastrukturą. W celu praktycznej implementacji algorytmu w już istniejących bezprzewodowych sieciach lokalnych WLAN jego działanie oparto na danych pomiarowych dostępnych w typowych i łatwo osiągalnych na rynku urządzeniach sieciowych zgodnych ze standardem IEEE W związku z tym sformułowano następującą tezę niniejszej rozprawy doktorskiej, mówiącą o tym, że: Możliwe jest opracowanie bardziej wydajnego od obecnie stosowanych algorytmu wyboru trybu pracy stacji abonenckiej w bezprzewodowej sieci lokalnej WLAN standardu IEEE 80.11, opartego na znajomości rozmiaru przesyłanych ramek oraz na wynikach pomiarów czasu oczekiwania stacji na dostęp do kanału radiowego i uśrednionego na horyzoncie czasu trwania jednej ramki poziomu mocy sygnału nośnej RSSI na wejściu odbiornika. W celu udowodnienia tak postawionej tezy dokonano szczegółowych rozważań teoretycznych, ważnych z punktu widzenia poruszonych w rozprawie problemów. Ponadto zaprojektowano i wykonano odpowiednie modele symulacyjne wybranych sieci WLAN standardu IEEE i przeprowadzono za ich pomocą szereg eksperymentów symulacyjnych. W szczególności zaś: 1. Dokonano analizy teoretycznej problemu wykorzystania wyników pomiarów wielkości opisujących stan kanału radiowego do wyznaczania optymalnej z punktu widzenia pojedynczej stacji abonenckiej przepływności, której rezultatem było określenie, tzw. współczynnika korelacji średnich mocy sygnałów sinusoidalnych, zmierzonych w kolejnych chwilach czasu na wejściu odbiornika.. Dla potrzeb algorytmu optymalnego doboru trybu pracy stacji abonenckiej w sieci WLAN sformułowano funkcję celu, którą oparto nie tylko na znajomości mocy sygnału RSSI na wejściu odbiornika, lecz także na rozmiarach transmitowanych ramek oraz na czasie oczekiwania stacji na dostęp do kanału radiowego. 3. Opracowano cztery nowe, oryginalne algorytmy RADIOMAN, SILESiA, EMIRATE i LATERAN optymalnego doboru trybu pracy stacji abonenckiej w sieci WLAN wykorzystujące funkcję celu uwzględniającą długości ramek oraz wyniki pomiarów poziomu mocy sygnału RSSI na wejściu odbiornika i czasu oczekiwania stacji na dostęp do kanału.

17 WSTĘP Zmodyfikowano i rozbudowano symulator pakietowy NS- o tryby pracy stacji oparte na wielu przepływnościach oraz na modelach kanałów radiowych z zanikami, czyli na wszystkich tych elementach, które były konieczne do przeprowadzenia wiarygodnych eksperymentów symulacyjnych sieci WLAN standardu IEEE dla znanych z literatury oraz opracowanych w ramach niniejszej rozprawy czterech nowych algorytmów optymalnego doboru trybu pracy stacji. 5. Przeprowadzono szczegółowe symulacje komputerowe algorytmów optymalnego doboru trybu pracy stacji abonenckiej w różnych konfiguracjach i scenariuszach pracy sieci bezprzewodowej WLAN standardu IEEE w wybranych środowiskach radiokomunikacyjnym, w tym w szczególności badano sieci WLAN łączności nomadycznej i ruchomej we wnętrzu budynku oraz sieci łączności ruchomej na wolnym powietrzu. 6. Dokonano analizy porównawczej, opracowanych w ramach rozprawy, czterech nowych, oryginalnych algorytmów optymalnego doboru trybu pracy stacji w sieci WLAN standardu IEEE pod kątem maksymalnej przepustowości osiąganej przez pojedynczą stację abonencką oraz z punktu widzenia wpływu liczby kolizji ramek w sieci na przepustowość osiąganą przez poszczególne stacje abonenckie Układ rozprawy Prezentowana praca składa się z siedmiu rozdziałów. W rozdziale pierwszym przytoczono ogólnie znane informacje, dotyczące problematyki rozprawy oraz sformułowano tezę i wymieniono szczegółowe zagadnienia, za pomocą których postanowiono jej dowieść. W rozdziale drugim przedstawiono istotne z punktu widzenia rozprawy właściwości bezprzewodowych sieci lokalnych standardu IEEE W rozdziale trzecim opisano metodologię symulacji sieci bezprzewodowych łączności ruchomej z wykorzystaniem pakietowego symulatora NS-. Rozdział czwarty zawiera przegląd najpopularniejszych, opisanych w literaturze, algorytmów doboru trybu pracy stacji bezprzewodowej. W rozdziale piątym przedstawiono autorski algorytm doboru trybu pracy stacji RADIOMAN oparty na znajomości parametrów ruchowych sieci oraz przedykcji stanu kanału radiowego. Kolejny, szósty rozdział rawiera opisy trzech algorytmów SILESiA, EMIRATE oraz LATERAN stanowiących uproszczoną wersję algorytmu RADIOMAN. Rozdział siódmy stanowi podsumowanie oraz wskazuje kierunki dalszych badań.

18 18 SIECI WLAN STANDARDU IEEE Sieci WLAN standardu IEEE Standard IEEE należy do grupy standardów IEEE 80, opisujących organizację transmisji danych w lokalnych sieciach komputerowych i definiujących protokoły wykorzystywane w obrębie dwóch pierwszych warstw modelu referencyjnego ISO/OSI (rys..1.). Ponadto precyzuje zasady działania bezprzewodowych sieci lokalnych opartych na różnych technikach transmisji. Parametry i protokoły związane z daną techniką transmisji informacji cyfrowych są określone przez warstwę PMD (Physical Media Dependent), stanowiącą odpowiednik warstwy pierwszej modelu ISO/OSI. Aby zapewnić między dwoma stacjami sieci WLAN niczym niezakłóconą transmisję należy przede wszystkim zdefiniować sposób dostępu stacji do medium transmisyjnego, którym najczęściej jest kanał radiowy. Sposób dostępu do kanału definiuje warstwa MAC (Media Access Control), która wraz z warstwą sterowania łączem logicznym LLC (Logical Link Control) odpowiada warstwie drugiej modelu ISO/OSI. W celu uzgodnienia trybu wymiany informacji między stacjami w sieci WLAN standardu IEEE koniecznym okazało się wprowadzenie protokołu, który nazwano protokołem doboru warstwy fizycznej PLCP (Physical Layer Convergence Procedure). Warstwa PLCP pośredniczy między warstwą pierwszą i drugą modelu ISO/OSI.

19 SIECI WLAN STANDARDU IEEE LLC MAC PLCP DSSS HR-DSSS ERP-OFDM PMD Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna Rys..1. Model warstwowy sieci standardu IEEE Techniki dostępu do kanału radiowego Standard IEEE definiuje dwa podstawowe rodzaje sieci WLAN. Sieć typu ad-hoc, wykorzystującą funkcję DCF (Distributed Coordination Function) oraz sieć z infrastrukturą, zarządzaną centralnie i opartą na funkcji PCF (Point Coordination Function). Ponieważ funkcja PCF nie cieszy się zbytnią popularnością, a większość punktów dostępu w sieciach z infrastrukturą, zgodnych ze standardem IEEE 80.11, jest oparta na funkcji DCF, dlatego w niniejszej rozprawie modelowano i analizowano tylko sieci pracujące z tą właśnie funkcją. Należy jednakże zaznaczyć, że uzyskane dla funkcji DCF wyniki można z powodzeniem rozszerzyć także na sieci WLAN z funkcją PCF. W sieci WLAN z funkcją DCF stacja przed rozpoczęciem nadawania musi wykonać szereg operacji przewidzianych przez protokół warstwy MAC dostępu do kanału radiowego. W standardzie IEEE sieci pracujące z funkcją DCF jako protokołu dostępu używają CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance) oraz posługują się dyskretną skalą czasu, w której jednostką podstawową jest szczelina czasowa. W protokole CSMA-CA stacja każdorazowo przed wysłaniem ramki sprawdza zajętość kanału radiowego. Jeśli kanał pozostaje wolny przez czas DIFS (Distributed Inter-frame Space), to ramka zostaje nadana. W przeciwnym wypadku stacja przechodzi do stanu oczekiwania (backoff), w którym przebywa przez czas równy całkowitej wielokrotności liczby szczelin czasowych. Przy czym liczba szczelin czasowych jest losowana z przedziału od zera do CW min (Minimum Contention Window) nazywanego oknem współzawodnictwa (rys...). Po upływie czasu oczekiwania, czyli wylosowanej liczbie szczelin, odliczanych tylko wtedy, gdy kanał radiowy jest wolny, stacja podejmuje kolejną próbę nadania ramki. Udana transmisja zostaje potwierdzona przez odbiorcę ramką potwierdzenia ACK, wysyłaną po upływie czasu SIFS (Short Inter-Frame Space). Czas SIFS jest zawsze liczony od momentu poprawnego odebrania ramki. W przypadku nieotrzymania ramki ACK przed upływem czasu EIFS (Extended Inter-Frame Space), stacja podejmuje kolejną próbę nadania ramki, która każdorazowo rozpoczyna się stanem oczekiwania.

20 0 SIECI WLAN STANDARDU IEEE Przy czym w kolejnych stanach oczekiwania rozmiar okna współzawodnictwa 0 CW (Contention Window), z którego losuje się liczbę szczelin składających się na czas oczekiwania, jest podwajany. Takie iteracyjne podwajanie okna trwa aż zostanie osiągnięty jego maksymalnego rozmiaru CW max (Maximum Contention Window). Procedura podwajania rozmiarów okna, z którego losuje się czas oczekiwania stacji na dostęp do kanału, zmniejsza prawdopodobieństwo kolizji ramek wysyłanych jednocześnie przez więcej niż jedną stację. Dzięki podwojeniu zakresu, z którego jest losowany czas oczekiwania, prawdopodobieństwo wylosowania przez dwie lub więcej stacji identycznych czasów oczekiwania na zwolnienie kanału radiowego ulega znacznej redukcji. Zwiększenie czasu oczekiwania na nadawanie nie eliminuje jednak drugiej przyczyny nieudanych transmisji ramek, wynikającej z ich uszkodzenia na skutek błędów transmisji powstałych w kanale radiowym. Nie trudno więc zauważyć, że jeśli w sieci WLAN, dopuszczającej transmisję danych z wieloma przepływnościami, stacja dokona niewłaściwego wyboru techniki modulacji i/lub kodowania korekcyjnego, to może nastąpić wzrost prawdopodobieństwa retransmisji ramek i w konsekwencji znacząco pogorszy się przepustowość sieci. Śledzenie stanu zajętości kanału radiowego może odbywać się na dwa sposoby. Pierwszym i najprostszym jest bezpośredni jego nasłuch. Jednak sposób ten, z uwagi na konieczność ciągłego monitorowania stanu kanału, jest kosztowny. Konkurencyjnym rozwiązaniem jest wirtualne nasłuchiwanie kanału oparte na wykorzystaniu informacji przesyłanych w ramkach. Większość ramek zawiera informację o czasie zajęcia kanału radiowego. Zatem na podstawie informacji o czasie zajęcia kanału i czasie trwania ramki stacje mogą bardzo precyzyjnie ustawić swoje zegary NAV (Network Allocation Vector) na chwilę następnej operacji fizycznego nasłuchu kanału. Należy zaznaczyć, że na dostatecznie długim horyzoncie czasu protokół CSMA-CA zapewnia wszystkim stacjom w sieci sprawiedliwy dostęp do medium transmisyjnego, czyli gwarantuje im jednakowe prawdopodobieństwa dostępu do kanału radiowego [mede_05]. Zazwyczaj zakłada się, że każda ze stacji w sieci WLAN jest w stanie wykryć sygnał radiowy nadawany przez pozostałe. Jednak w praktyce sytuacja ta nie zawsze ma miejsce, a wynika to z możliwości wystąpienia w sieci WLAN dwóch bardzo niekorzystnych zjawisk, określanych w literaturze jako problem stacji ukrytej (hidden terminal problem) oraz problem stacji odkrytej (exposed terminal problem).

21 SIECI WLAN STANDARDU IEEE Natychmiastowy dostęp gdy kanał wolny dłużej niż DIFS DIFS DIFS PIFS Okno rywalizacji Kanał zajęty SIFS Procedura Backoff Kolejna ramka Slot czasowy Oczekiwanie na zwolnienie kanału Procedura Backoff przerywana gdy kanał jest zajęty Rys... Dostęp do kanału radiowego w sieciach standardu IEEE Problem stacji ukrytej i odkrytej Protokół CSMA-CA przestaje spełniać swoje zadanie, gdy w przypadku trzech komunikujących się ze sobą stacji dwie z nich nie słyszą się. Opisaną sytuację przedstawiono na rysunku.3. Pomimo poprawnego działania procedury realizowanej w stanie oczekiwania stacji na zwolnienie kanału, prowadzącej do wyznaczenia dwóch różnych czasów oczekiwania na dostęp do medium, stacje A i C rozpoczynają nadawanie, co z punktu widzenia odbierającej sygnał stacji B powoduje nałożenie się na siebie obu transmisji, czyli kolizję ramek, uniemożliwiając tym samym poprawną wymianę informacji. Problem stacji ukrytej Dane NAV Procedura RTS-CTS RTS Stacja A Stacja B Stacja C ACK NAV Stacja A Stacja B Stacja C CTS NAV Stacja A Stacja B Stacja C Dane Stacja A Dane Stacja B Stacja C NAV Stacja A Stacja B Stacja C Dane Dane Stacja A ACK Stacja B Stacja C NAV Stacja A Stacja B Stacja C Stacja A Stacja B Stacja C Rys..3. Problem stacji ukrytej W celu wyeliminowania problemu stacji ukrytej wprowadzono procedurę

22 SIECI WLAN STANDARDU IEEE RTS/CTS, polegającą na wymianie krótkich, a więc cechujących się niskim prawdopodobieństwem kolizji ramek. Zarówno ramka RTS (Request To Send), wysyłana przez nadawcę, jak i ramka CTS (Clear To Send) wysyłana przez odbiorcę, po czasie SIFS, zawierają pola informujące o czasie trwania planowanej transmisji. Pozwala to sąsiadującym ze sobą stacjom dokonać aktualizacji wirtualnego stanu śledzenia kanału i wyeliminować tym samym problem stacji ukrytej. Niestety procedura wymiany ramek RTS/CTS oprócz zalety, jaką jest bez wątpienia eliminacja problemu stacji ukrytej, posiada również wady. Jej podstawową wadą jest obniżenie wydajności sieci WLAN wynikające z konieczności przesyłania dodatkowych ramek. Zjawisko to jest szczególnie istotne w przypadku sieci standardu IEEE z techniką OFDM, w której dopuszczono do pracy stacje IEEE z techniką DSSS. Problem stacji odkrytej RTS Stacja A Stacja B Stacja C Stacja D CTS NAV Stacja A Stacja B Stacja C Dane NAV RTS Stacja D Stacja A ACK Stacja B Stacja C NAV Stacja D Stacja A Stacja B Stacja C Stacja D Rys..4. Problem stacji odkrytej Kolejnym problemem, generowanym przez procedurę RTS/CTS, jest problem stacji odkrytej, który zilustrowano na przykładzie sieci przedstawionej na rysunku.4.

23 SIECI WLAN STANDARDU IEEE W sieci tej stacje A i B, używające procedury RTS/CTS, realizują transmisję danych. Prowadzi to do ustawienia w stacji C zegara NAV na czas, w którym przestaje ona śledzić stan kanału radiowego. W tym samym czasie stacja D, znajdująca się poza zasięgiem radiowym stacji A oraz B, inicjuje transmisję do stacji C. Nie otrzymując odpowiedzi, stacja D rozpocznie próby nawiązania połączenia ze stacją C, niepotrzebnie zajmując zasoby transmisyjne. Taki stan rzeczy będzie trwał aż do momentu zakończenia wymiany danych przez stacje A i B..3. Techniki transmisji danych DSSS i ERP OFDM Od samego początku standard IEEE dopuszczał istnienie kilku wariantów warstwy fizycznej modelu OSI/ISO, charakteryzujących się różnymi technikami transmisji. W kolejnych jego wersjach, oprócz podstawowych technik wymiany informacji, stosowanych na poziomie warstwy fizycznej, przewidziano również pewne techniki opcjonalne. Jednak w praktyce techniki te nie znalazły uznania wśród producentów sprzętu. Zatem można śmiało powiedzieć, że pozostają one, jak do tej pory, jedynie w sferze koncepcji. W niniejszej pracy rozważono jedynie te techniki transmisji, które są obecnie szeroko stosowane, oraz te parametry sieci WLAN, do których dostęp nie wymaga modyfikacji oprogramowania zawartego w pamięci stałej typowych kart sieciowych WLAN standardu IEEE W wersji podstawowej standard IEEE przewidywał 3 warianty realizacji warstwy fizycznej. Dwa z nich oparto na falach radiowych pasma ISM.4 GHz. W jednym zastosowano skokową zmianę częstotliwości nośnej FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), zaś w drugim bezpośrednie rozpraszanie widma DSSS. W wariancie trzecim zaimplementowano transmisję danych w podczerwieni. Przy czym największą popularność wśród producentów i użytkowników sieci WLAN zyskał wariant z bezpośrednim rozpraszaniem widma DSSS. Technika DSSS polegająca na mnożeniu sygnału użytecznego z szybkozmiennym sygnałem pseudolosowym czyni transmisję w kanale radiowym trudną do wykrycia i odporną na zakłócenia. Ceną płaconą za wysoką odporność na zakłócenia jest poszerzenie widma sygnału proporcjonalne do stosunku czasu trwania jednego symbolu sygnału rozpraszającego, tzw. chipu (chip) do czasu trwania jednego symbolu informacyjnego (rys..5.). 0dB -30dB -50dB f c -MHz f c -11MHz f c f c +11MHz f c +MHz Rys..5. Widmo sygnału IEEE 80.11

24 4 SIECI WLAN STANDARDU IEEE Można wykazać [proa_06] [hayk_04], że wzrost odporności sygnałów przesyłanych w technice DSSS na zakłócenia, nazywany również zyskiem przetwarzania G (Processing Gain) można zapisać wzorem: P T b G = P (.1) T c gdzie: T b czas trwania jednego bitu, T c czas trwania jednego chipu. Standard IEEE przewiduje pracę z szybkością chipową 11 Mchip/s oraz przepływnością symbolową 1 Msymbol/s. W urządzeniach zgodnych z tym standardem do rozpraszania widma jest stosowany jedenastobitowy kod Barkera postaci [ ]. Kod ten cechuje się bardzo dobrymi właściwościami korelacyjnymi. W odróżnieniu od klasycznego zwielokrotnienia z rozpraszaniem kodowym, w przypadku standardu IEEE wszystkie stacje używają tej samej sekwencji rozpraszającej. Celem zastosowania rozpraszania widma jest bowiem jedynie zwiększenie odporności sygnałów danych na zakłócenia w kanale radiowym, natomiast wielodostęp do kanału radiowego odbywa się na zasadach rywalizacji, zawartych w protokole warstwy MAC. DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Podstawowa wersja standardu IEEE pozwala na pracę z dwoma przepływnościami: 1 Mbit/s oraz Mbit/s. Wybór jednej z dwu przepływności jest możliwy dzięki zastosowaniu dwóch technik modulacji: dwupoziomowej DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) oraz czteropoziomowej DQPSK (Differential Quaternary Phase Shift Keying). Dla kanału radiowego z addytywnym szumem białym AWGN (Additive White Gaussian Noise) bitowa stopa błędów BER 1 na wyjściu odbiornika, w stacji stosującej modulację DBPSK [proa_06] dla przepływności 1Mbit/s, wyraża się wzorem: gdzie: 1 E BER = exp b G 1 P (.) N 0 E b wyrażony w jednostkach nielogarytmicznych stosunek energii N 0 sygnału nośnej, liczonej na jeden bit niekodowanej nadmiarowo informacji, do widmowej gęstości mocy szumu. Dla stacji pracującej z przepływnością 1 Mbit/s zysk przetwarzania G P, wyznaczony ze wzoru (.1), wynosi 11, czyli około 10,41 db. Dla stacji stosującej czteropoziomową modulację DQPSK, a więc dla przepływności równej Mbit/s, przy założeniu szumu AWGN w kanale