практически одинаковы, за исключением поля отметки времени.
В ноябре 2006 года, вышел черновой вариант нового дополнения к IEEE 802.11, 11s. В этом дополнении определена работа mesh-сетей на основе принципов IEEE 802.11. В документе описан новый протокол детерминированного доступа к среде (Mesh Deterministic Access, MDA) в mesh-сетях. Пользуясь этим протоколом, станции могут получить доступ к каналу в заранее определенное и объявленное время с существенно меньшей конкуренцией, чем традиционным методом множественного доступа с детектированием несущей и предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA).
Согласно протоколу MDA, в биконы включается дополнительная информация для оповещения соседних станций об MDA- резервированиях, что позволит защитить эти резервирования от интерференции. Поэтому в
mesh-сетях 11s биконы несут больше
индивидуальной для каждой станции информации, т.е. биконы от двух разных станций существенно различаются. Поэтому, все станции должны обладать равными возможностями для передачи своих биконов, которые не зависят от скорости хода часов этих станций. Для успешной работы mesh-сети 11s не достаточно гарантировать передачу одного бикона за BTW- окно, потому что многие станции могут иметь MDA-резервирования, и им необходимо их поддерживать.
Таким образом, чтобы учесть особенности передачи биконов в сетях 11s, необходим новый подход. В данной работе рассматривается один из возможных подходов. Предложено и проанализировано простое решение, которое позволяет дать всем станциям равную возможность для передачи своих биконов.
2. Обзор существующих работ
Стандарт IEEE 802.11 поддерживает infrastructure- и ad hoc режимы работы сети [1]. В infrastructure-режиме одна из станций работает в качестве точки доступа, и только она передает биконы, синхронизируя работу всех остальных станций.
В данной работе основное внимание уделяется режиму ad hoc, когда в передаче биконов участвуют все станции. В первоначальной версии стандарта IEEE 802.11 [2] главной задачей биконов является обмен временнóй информацией между станциями: биконы содержат специальные временные метки. Эти данные использует механизм TSF, введенный в IEEE 802.11 для
поддержки синхронности хода часов различных станций.
В режиме ad hoc все станции соревнуются за передачу бикона в окне передачи биконов (BTW). Это окно повторяется в начале каждого временнóго интервала, который называется TIM- интервал. Окно передачи биконов состоит из W+1 слотов, где W = 2·aCWmin. Каждый слот имеет длину aSlotTime [2].
Для технологий FHSS и OFDM значение aCWmin равно 15, а для DSSS – 31. Для поддержки качества сервиса (Quality of Service, QoS) в дополнении 11e [6] были введены категории трафика (Access Categories, AC), а значение CWmin[AC] зависит от категории. Так, например, для голосового трафика CWmin[AC_VO] равно 3, а значит, размер минимального окна передачи биконов равен 7 слотам. Согласно существующему на данный момент варианту дополнения 11s, для mesh- трафика размер BTW-окна также равен 7.
Чтобы выбрать слот для передачи своего бикона в очередном BTW-окне, каждая станция выбирает случайную задержку (выраженную числом слотов, каждый длиной aSlotTime) равномерно распределенную в интервале [0, W].
Передача бикона откладывается до тех пор, пока время задержки не истечет. Если другой бикон будет получен до того, как время задержки истечет, то станция может отменить передачу своего бикона в этом окне. При получении бикона станция может скорректировать значение своего TSF-таймера на основании значения отметки времени, указанного в принятом биконе.
Число слотов, необходимое для передачи бикона, будем называть длиной бикона. Эта длина может меняться от 4 до 34 в зависимости от версии стандарта IEEE 802.11 и скорости передачи. Кроме того, длина бикона зависит от числа информационных элементов (Information Elements, IEs) включенных в бикон, что особенно важно для поддержки протокола MDA.
В [3, 4] авторы показали, что в режиме ad hoc механизм синхронизации часов плохо масштабируем как в одношаговых, так и в многошаговых сетях. Авторы предложили две модификации механизма TSF: ABTSF и TATSF, которые в основном направлены на улучшение масштабируемости, и тем самым уменьшают асинхронизм станций.
В [3, 4] авторы выбрали следующую стратегию:
a) уменьшение числа станций, соревнующихся за передачу бикона;
b) ранжирование станций в соответствии со скоростью хода их часов: «быстрые»
станции соревнуются за передачу бикона чаще, чем «медленные».
Применение этой стратегии действительно увеличивает вероятность успешной передачи одного бикона в BTW-окне, но станции с медленными часами в этом случае получают гораздо меньше шансов для передачи своих биконов. Это не является проблемой в сетях IEEE 802.11, потому что биконы от всех станций идентичны, за исключением метки времени.
Одного бикона от «быстрой» станции вполне достаточно для поддержания синхронности станций. Однако в mesh-сетях IEEE 802.11s одного бикона за BTW-окно не достаточно.
3. Особенности передачи биконов в mesh-сетях IEEE 802.11s
Среди прочих механизмов дополнение IEEE 802.11s описывает протокол детерминированного доступа MDA. Согласно текущей версии дополнения [5], и отправитель, и получатель должны оповещать другие станции об MDA- резервированиях посредством биконов или кадров управления. Кадры управления не защищены от помех, вызванных передачами кадров другими станциями или случайными шумами. Доставка кадров управления не подтверждается станциями-получателями.
Биконы надежнее кадров управления, т.к. в течение BTW-окна передача данных может быть запрещена.
Чтобы оповестить об MDA-резервировании, в биконы включаются специальные информационные элементы (MDAOP Advertisements IE). Это делает биконы более индивидуальными: биконы от двух разных станций теперь существенно различаются.
Поэтому все станции должны обладать равной возможностью для передачи своих биконов, которая не должна зависеть от скорости часов этих станций. Для успешной работы mesh-сети 11s недостаточно гарантировать передачу одного бикона за BTW-окно, потому что многие станции могут иметь MDA-резервирования и им необходимо их поддерживать.
Согласно текущей версии дополнения 11s, размер окна передачи биконов равен W=1+2*CWmin[AC_VO]. Для технологии OFDM W=7. Между тем, длина бикона больше 7, даже если в него включена информация только об одном MDA-резервировании. К тому же, длина бикона увеличивается с ростом числа поддерживаемых MDA-резервирований и с добавлением в бикон других информационных элементов. Таким образом, даже в отсутствии коллизий и шума за одно BTW-окно не может быть передано больше одного бикона. Но одного бикона может быть недостаточно для поддержания даже одного MDA-резервирования,
не говоря уже о поддержании нескольких соединений.
Очевидно, размер BTW-окна должен меняться динамически в зависимости от числа станций в сети. Кроме того, нужно проранжировать станции по числу MDA-резервирований, которые им необходимо поддерживать. Наконец, если одна станция уже послала бикон, то нет необходимости запрещать другим станциям передавать свои биконы в том же окне (конечно, если в окне достаточно места).
Пусть разрешено передавать больше одного бикона за BTW-окно, тогда станция передаст свой бикон успешно в слоте i если:
a) эта станция единственная выбрала слот i для передачи своего бикона;
b) никакая другая станция не передает свой бикон в слотах [i−b+1; i−1].
Согласно требований протокола MDA, оповещение о резервировании канала должно рассылаться хотя бы один раз за время dot11MDAdvertPeriodMax [5]. Это аналогично требованию того, что вероятность β успешной передачи бикона конкретной станцией в
odLength BeaconPeri
ax ertPeriodM dot11MDAdv
= m
BTW-окнах будет не меньше заранее
определенной величины βdef. Задав значение величины βdef, можно найти минимальный размер окна передачи биконов Wmin(βdef).
В следующем разделе исследуется схема передачи биконов, в которой разрешено передавать больше одного бикона за BTW-окно.
Предлагается ввести несколько параметров, выбрав значения которых можно удовлетворить требованиям MDA.
4. Аналитическая модель
В данной работе областью слышимости, или CS-областью, станции A называется область, в которой другие станции могут обнаружить передачу A, но не могут декодировать переданный кадр, т.к. сигнал слишком слаб. В области уверенного приема, или TX-области, станции A все станции способны получить и успешно декодировать переданный станцией A кадр. Очевидно, область уверенного приема включена в область слышимости. В простейшем случае, когда радиосигналу не мешают стены и иные препятствия, областью уверенного приема станции будет являться круг, а областью слышимости – кольцо, охватывающее этот круг.
Размер TX- и CS-области зависит от скорости передачи: чем ниже скорость передачи, тем больше область. Передача биконов происходит на самой низкой из доступных скоростей, называемой базовой, а передача данных – на
относительно высокой скорости. Например, при использовании технологии OFDM биконы передаются на скорости 6 Мбит/c, тогда как данные – на скорости до 54 Мбит/c. Таким образом, даже если станция находится в области слышимости других станций на базовой скорости, для обмена данными ей, скорее всего, придется передавать через несколько шагов.
Рассмотрим сеть IEEE 802.11s, состоящую из N станций, в которой каждая станция находится в область слышимости всех других станций на базовой скорости. В смысле передачи данных, данная сеть является многошаговой сетью: для передачи данных от одной станции к другой может понадобиться более одного шага.
В данной работе для построения аналитической модели передачи биконов использованы комбинаторные методы анализа [9]. Пусть размер окна передачи биконов составляет W слотов, а число слотов, необходимое для передачи одного бикона, равно b. Определим величину h(N,W) как среднее число успешно переданных биконов за одно BTW-окно.
Предполагается, что все станции идентичны.
Тогда, вероятность успешной передачи бикона в одном BTW-окне для каждой станции равна
N W)
=h(N, α
Вероятность β успешной передачи конкретной станцией своего бикона за m BTW-окон связана с α следующим очевидным выражением:
)m
1 (
1 α
β= − −
Будем рассматривать окно для передачи биконов как последовательность блоков состоящих из нескольких слотов (см. Рис.1).
Каждый блок начинается после передачи бикона и длится до тех пор, пока не закончится передача следующего бикона. Таким образом, блок состоит из нескольких пустых слотов (их может и не быть) и b слотов, в течение которых передается бикон. Самый первый блок начинается с началом BTW-окна, а последний может содержать менее b не пустых слотов.
Рис.1 Разбиение BTW-окна на блоки слотов.
Однако запланировать передачу своих биконов в i-ом слоте может несколько станции.
Поэтому в каждом блоке может произойти как успешная передачи, так и коллизия.
Пусть h(nJ,wJ) – среднее число биконов успешно переданных за остаток окна, который начинается с J-ого блока и длится до конца
текущего BTW-окна. Пусть k – число станций, запланировавших начать передачу бикона в текущем блоке, а i – номер слота в котором начинается передача бикона в этом блоке.
Например, на Рис.1 для блока J i = 3, т.к. первые два слота в этом блоке оказались пусты.
Пусть hs(k,i) и hc(k,i) – вероятности успешной передачи бикона и коллизии в текущем блоке с заданными k и i, соответственно. Следуя блок за блоком, т.е. от начала BTW-окна передачи биконов к его концу, можно рекурсивно посчитать среднее число успешно переданных биконов за одно окно:
1 1
1
1 1
( , ) ( , )
( ( , ) ( , )) ( , 1)
w n
s
i k
w b n
s c
i k
h n w h k i
h k i h k i h n k w i b
= =
− −
= =
= +
+ + − − − +
∑∑
∑∑
(1)В первой сумме отражен тот факт, что вероятность успешной передачи бикона равна hs(k,i). Вторая сумма отражает переход к следующему блоку – и так до тех пор, пока не будет достигнут конец BTW-окна. Процесс переходит к следующему блоку с вероятностью hs(k,i), если передача была успешной, и с вероятностью hc(k,i), если несколько станций запланировали передачу своих биконов в слоте i, т.е. была коллизия.
Задача свелась к нахождению вероятностей hs(k,i) и hc(k,i). Рассмотрим текущий блок, скажем J, и наиболее распространенный случай, когда i<w-b. Число способов выбрать k станций, которые планируют начать передачу в блоке J, из n станций равно:
)!
(
!
! k n k Ckn n
= −
Число способов выбрать станцию, которая начнет свою передачу в i-ом слоте J-го блока, равно k. Число способов назначить остальным k-1 станциям в блоке J оставшиеся b-1 слотов равно (b-1)k-1. Число способов выбрать слот остальным n-k станциям в остатке окна передачи биконов после блока J равно (w−i−b+1)n-k. Всего же число способов назначить n станциям по одному слоту из w слотов равно wn.
Когда w−b<i≤w, т.е. текущий блок последний в окне передачи биконов, в блоке может содержаться менее b занятых слотов. Для подсчета hs(k,i) в этом случае необходимо заменить b-1 на w-i, а k положить равным n.
Теперь можем записать окончательное выражение для hs(k,i):
⎪⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎨
⎧
≠
≤
<
−
=
≤
<
− −
− + ≤
−
− −
= −
− −
n k w i b w
n k w i b w w
i n w
i w w i
b i b w
k C i k
h n
n n
k n k
n k
s
, ,
0
, ) ,
(
) , 1 ) (
1 ( ) , (
1 1
(2)
Аналогично рассмотрим блок J для нахождения hc(k,i). Число способов выбрать b слотов для k станций равно bk. Необходимо учитывать только те случаи, когда в одном и том же i-ом слоте запланировали передачу несколько станций. Чтобы исключить не коллизионные случаи необходимо из bk вычесть
a) число всех случаев, когда в i-ом слоте не запланировала передачу ни одна станция b) число всех случаев, когда в i-ом слоте
запланировала передачу только одна станция
Число способов выбрать слоты в остатке окна передачи биконов для n-k станций было найдено выше. Таким образом, для hc(k,i) мы получаем следующее выражение:
[
k k k]
n nkn k
c w
b i b w
k b b C i k h
− − − + −
−
−
−
−
= ( 1)
) 1 ( ) 1 ( )
,
( 1 (3)
Это выражение справедливо для случая i≤w−b. Остальные случаи не рассматриваются, т.к. они не входят в формулу (1).
В итоге мы имеем аналитические выражения для hs(k,i) и hc(k,i), а значит можем найти и h(N,W). Анализ завершен.
5. Численные результаты
Для технологии OFDM (IEEE 802.11a) длина бикона, передаваемого на базовой скорости 6 Мбит/c и включающего в себя информацию об одном MDA-резервировании, равна 12 слотам.
Длина бикона увеличивается с ростом числа MDA-резервирований, а также с ростом числа других информационных элементов включаемых в бикон.
В данной работе длина бикона полагается равной 12 слотам. В случае большей длины бикона необходимость принятия описанных в разделе 3 мер оказывается еще более очевидной.
На Рис.2 показана зависимость среднего числа успешно переданных биконов за BTW-окно от числа станций в сети при различной длине окна.
Для фиксированного W среднее число успешно переданных биконов h(N, W) сначала растет с ростом числа станций N, но достигнув максимума, начинает плавно убывать. Это означает, что при фиксированном W существует максимальное число станций Nmax, которые могут соревноваться за передачу бикона, не вызывая при чрезмерного числа коллизий.
Если же число станций превышает Nmax, то число коллизий становится слишком велико, и это сказывается на среднем числе успешно переданных биконов h(N,W), которое начинает убывать вплоть до нуля.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 10 20 30 40 50
N h(N,W)
w = 10 w = 30 w = 50 w = 80 w = 100
Рис.2 Среднее число успешно переданных биконов за BTW-окно.
На Рис.3 показана зависимость вероятности α того, что конкретная станция успешно передает бикон за одно окно, от количества станций в сети N. Из графиков видно, что с ростом числа станций N, вероятность успешной передачи бикона α резко падает, особенно в случае, когда размер окна передачи биконов относительно небольшой.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0 10 20 30 40 50
N α
w = 10 w = 30 w = 50 w = 80 w = 100
Рис.3 Вероятность передачи бикона конкретной станцией в одном BTW-окне.
На Рис.4 показано влияние значений пары {W, N} на вероятность β того, что MDA- резервирование выживает. Например, если параметры dot11MDAdvertPeriodMax и BeaconPeriodLength таковы, что m = 8, а в сети находится 20 станций, то своевременное оповещение всех станций сети об MDA- резервировании гарантируется в 90% случаев, если W = 60. Если же W = 40, то своевременное оповещение гарантируется только в 80% случаев.
А при W = 20 и вовсе только в половине случаев.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0 2 4 6 8 10
m β
n=10, w =60 n=20, w =20 n=20, w =40
n=20, w =60 n=60, w =60
Рис.4 Вероятность передачи бикона за m BTW- окон.
6. Заключение
В данной работе были исследованы особенности передачи биконов в сетях IEEE
802.11s. На биконы была возложена
дополнительная функциональность: поддержка механизма MDA. Биконы каждой станции в сетях
IEEE 802.11s могут содержать в себе
дополнительные информационные элементы, что наделяет их индивидуальностью, в отличие от биконов в стандартных сетях IEEE 802.11, в которых биконы всех станций почти идентичны.
В первоначальном варианте протокола IEEE 802.11 запрещено передавать больше одного бикона за BTW-окно, однако это ограничение совершенно не подходит для mesh-сетей 11s с поддержкой MDA. В данной работе была изучена более эффективная схема передачи биконов, разрешающая передачу более одного бикона за BTW-окно. Была разработана аналитическая модель, описывающая данную схему, которая позволяет оценить эффективность работы сети в зависимости от числа находящихся в ней станций. Разработанная схема позволяет выбрать оптимальный размер окна передачи биконов, для обеспечения наилучшей поддержки MDA.
Численные результаты показали, что увеличение числа станций в сети снижает вероятность успешной передачи биконов, т.к.
резко возрастает число коллизий. В дальнейшем планируется исследовать так называемую P- настойчивую схему передачи биконов, в которой станция учавствует в соревнованиях за передачу бикона в очередном окне с вероятностью p (очевидно, в стандарте IEEE 802.11 описан частный случай p=1). Предположительно, оптимальное значение p может быть определено как компромисс между потерями в производительности, вызванными коллизиями биконов, с одной стороны и отсрочкой передачи бикона на несколько BTW-окон с другой стороны.
7. Литература
[1] V.M. Vishnevsky, A.I. Lyakhov, S.L. Portnoy, I.L. Shachnovich, "Broadband Wireless Information Transmission Networks,"
Technosphera, Moscow, 2005. 592 p.
[2] IEEE Std 802.11. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specification, 1999 edition.
[3] Lifei Huang and T.H. Lai, On the scalability of IEEE 802.11 ad hoc networks, In Proceedings of ACM MobiHoc 2002
[4] D. Zhou, T.H. Lai, A Scalable and Adaptive Clock Synchronization Protocol in IEEE 802.11-Based Multihop Ad Hoc Networks, In Proceedings of MASS 2005
[5] IEEE P802.11s/D1.00 Amendment: ESS Mesh Networking, November 2006
[6] IEEE Std 802.11e-2005, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications. Amendment 8: Medium Access Control (MAC) Quality of Service (QoS) Enhancements, November 2005
[7] D. Zhou, T.H. Lai, Analysis and Implementation of Scalable Clock Synchronization Protocols in IEEE 802.11 Ad Hoc Networks, In Proceedings of MASS 2004
[8] Ten-Hwang Lai, Dong Zhou, Efficient and scalable IEEE 802.11 ad-hoc-mode timing synchronization function, In Proceedings of 17th International Conference on Advanced Information Networking and Applications, 2003.
[9] W. Feller. An Introduction to Probability Theory and Its Applications, Vol.1, N.Y., John Wiley & Sons, Inc., 19