Поддержка Надежной Многоадресной Передачи в Беспроводном
несколько лет в [3] был предложен алгоритм назначения станции, находящейся в наихудших условиях, в качестве лидера.
В 2002 г. был предложен протокол серийной многоадресной передачи (Batch Mode Multicast MAC – BMMM) [4]. Инициатор многоадресной передачи, получив доступ к каналу, посылает кадр RTS в одноадресном режиме каждому получателю в группе. Если инициатор не получает ответного кадра CTS от хотя бы одного из получателей, он откладывает передачу и переходит обратно в фазу конкурентного доступа. В противном случае, он посылает многоадресный кадр, а затем одноадресный запрос на подтверждение приема (Request for
Acknowledge – RAK) последовательно всем
получателям, которые в свою очередь отвечают кадрами подтверждения.
Очевидно, BMMM является наиболее надежным протоколом, поскольку он учитывает статус доставки пакетов с данными у каждого получателя. Тем не менее, его избыточность возрастает с количеством устройств в широковещательной группе. Даже при небольшом числе получателей накладные расходы на обмен кадрами RTS, CTS, RAK и ACK могут превышать полезную составляющую нагрузки.
В настоящей работе предлагается новая схема надежной многоадресной передачи, учитывающая недостатки предыдущих подходов.
3. Схема со многими лидерами
Для уменьшения избыточности в расчете на один пакет данных предлагается использовать схему блочной посылки сообщений, впервые введенную в протоколе IEEE 802.11e [5].
Согласно этой схеме только одно блочное подтверждение (Block ACK – B-ACK) передается в ответ на соответствующий запрос подтверждения (Block ACK Request – BAR), который следует сразу после блока кадров с данными. Для защиты от коллизий протокол IEEE 802.11e рекомендует также использовать механизм RTS/CTS. В данной статье рассматривается передача в сети без скрытых станций, поэтому кадр RTS достаточно посылать только одному получателю, которого предлагается выбирать произвольно.
Чтобы уменьшить накладные расходы, кадры BAR посылаются по очереди не всем получателям, а только части из них. Далее будем их называть ACK-лидерами, а предложенный механизм – протоколом со многими лидерами (Enhanced Leader Based Protocol – ELBP).
Последовательность обмена кадрами в протоколе ELBP для случая трех ACK-лидеров показана на Рис.1.
Так как в протоколе ELBP количество ACK- лидеров меньше общего количества получателей, то выбирать их следует, основываясь на показателях надежности (PLR) и производительности (пропускная способность и задержка). Необходимо решить следующую задачу: сколько и по какому принципу нужно выбрать ACK-лидеров из всех получателей, чтобы выполнить требования QoS.
В данной статье рассматриваются три основных требования QoS. Первое – максимальный PLR ηmax. PLR определяется, как отношение количества потерянных пакетов к переданным. Второе требование QoS – максимальная задержка Tmax. Задержкой называется временной интервал, необходимый для передачи пакета, включая возможные повторные передачи. Последнее требование QoS – минимальная пропускная способность Smin. Пропускная способность определяется, как среднее число успешно принятых бит полезной информации в единицу времени.
Если необходимо увеличить надежность передачи, т.е. уменьшить PLR, то надо повторять передачу пакета больше раз, что приведёт к увеличению задержек и уменьшению пропускной способности, и наоборот. Здесь возникает задача максимизации минимальной (среди всех станций) пропускной способности в рамках требований к качеству по PLR и допустимой задержке. Данная задача может быть эффективно решена с использованием средств протокола ELBP, а именно: настройкой числа кадров с данными в блоке B, числа ACK-лидеров J и схемой выбора ACK-лидеров.
Один из возможных способов выбора лидеров заключается в фиксировании J получателей с максимальными значениями PER и назначении их ACK-лидерами для каждой из последующих передач. Эту схему будем называть ELBP с фиксированными ACK-лидерами (Fixed ELBP).
RTS CTS DATA DATA DATA DATA BAR 1 B-ACK 1 BAR 2 B-ACK 2 BAR 3 B-ACK 3 Одноадресные
кадры Многоадресные кадры данных Одноадресные кадры Рис. 1. Последовательность обмена кадрами в протоколе ELBP (3 ACK-лидера)
4. ELBP с фиксированными ACK- лидерами
4.1. Описание протокола
После передачи очередного блока данных отправитель готовит пакет(ы) для передачи следующего блока. В него включаются как новые, так и неподтвержденные ACK-лидерами при предыдущей передаче пакеты, если их время жизни ещё не истекло.
После получения доступа к каналу отправитель производит обмен RTS/CTS с одним из получателей, который может быть выбран произвольно, либо из всех, либо из заранее определенных станций с наихудшими значениями PER. Если обмен RTS/CTS успешно завершается, отправитель начинает передачу пачки кадров с многоадресными данными после короткого интервала SIFS. Предполагается, что
ACK-лидеры фиксированы и заранее
определены. Отправитель посылает последовательно всем ACK-лидерам кадры BAR и получает после интервала SIFS в ответ кадры B-ACK. Если отправитель не услышал от получателя кадр B-ACK в течение определенного таймаута, то передача кадра BAR повторяется. Заметим, что кадр B-ACK включает в себя битовую маску, позволяющую передавать как положительные, так и негативные подтверждения приёма.
4.2. Аналитическая модель
Обозначим через N и J общее количество получателей и ACK-лидеров, соответственно.
Считаем, что все пакеты содержат равное число байт полезной нагрузки L. Пусть pj – PER j-ой станции, причем станции пронумеруем в порядке убывания PER. Будем также считать, что в сети нет других передач, кроме рассматриваемого многоадресного потока. Так как кадры RTS, CTS, BAR и B-ACK имеют относительно малую длину, то полагаем, что вероятности их искажения пренебрежимо малы, и не учитываем их потери и повторные передачи.
В соответствии со схемой ELBP и спецификацией IEEE 802.11e, время передачи пачки, включая время отсрочки передачи, равно:
( ) ( )
1
2 ,
burst b RTS CTS DATA
BAR BACK
T E T T BT B SIFS
J T T SIFS DIFS
= + + + + +
+ + + + (1)
где TRTS, TCTS, TBAR, TBACK и TDATA – это времена передачи кадров RTS, CTS, BAR, B-ACK и DATA, соответственно. Eb =(1 2)T CWslot min – среднее время отсрочки передачи, где Tslot –
время слота, 2DIFS =SIFS+ Tslot, а CWmin – минимальное конкурентное окно.
Если известно время Tburst, то максимальное количество попыток передачи кадра данных ограничивается числом:
max burst
K=⎡⎢T T ⎤⎥, (2) где ⎡ ⎤⎢ ⎥• означает минимальное целое большее или равное аргументу.
Обозначая число попыток передачи через 1, ,
k= K K , вычислим вероятность того, что все ACK-лидеры получили данный кадр именно после k-ой попытки:
( ) (
1)
1 1
1 1
J J
k k
k j j
j j
p p
π −
= =
=
∏
− −∏
− .Аналогично находим вероятность
π %
k, что невсе ACK-лидеры получили кадр данных после k- ой попытки:
( )
1
1 J 1 k
k j
j
π p
=
= −
∏
−% .
Для вероятностей
π
k иπ %
k выполняется следующее условие нормировки:1 K 1
k K
k
π π
=
+ =
∑
% . (3) Таким образом, с учетом (3), PLR для ACK- лидеров и не ACK-лидеров вычисляются по формулам:ACK K
j pj
η = , (4)
( )
( ) ( )
1
1
1
1 .
nACK K k K
j k j K j
k
K k
j j k j
k
p p
p p p
η π π
π
=
−
=
= + =
= − −
∑
∑
%
%
(5)
Среднее количество попыток передачи кадра с ограничением K на их максимальное число:
1
1
1 K
K k
k
γ −π
=
= +
∑
% .Таким образом, пропускная способность равна:
( )
8 1
j j
burst K
S LB
T η
= γ − , (6) где ηj равно ηACKj для ACK-лидеров и ηnACKj для не ACK-лидеров.
4.3. Условия обеспечения QoS. Верхние границы для параметров ELBP
Напомним, что задача, поставленная в данной работе – максимизировать минимальную пропускную способность среди всех станций в рамках требований QoS. Для упрощения оптимизации следует максимально ограничить набор рассматриваемых B и J.
Рис. 2. Аудитория Так как последовательности
{ }
ηjACK и{
ηnACKj}
невозрастающие, то, используя (4) и (5), получаем следующую систему неравенств:
( ) ( )
1 max
1
1 1 1 max
1
1
K
K k
J J k J
k
p
p p p
η
π η
−
+ + +
=
⎧ ≤
⎪⎨
− − ≤
⎪⎩
∑
% (7)Рассмотрим первое неравенство. Используя (2), получаем:
max burst (ln max ln 1)
T T ≥ η p
⎡ ⎤
⎢ ⎥ ,
откуда после простых преобразований, положив J=1 в (1), получаем верхнюю границу для B:
(
max)
00
max 1
ln ln 1 B
B
T a
B B≤ = a η p −a
−
⎡ ⎤
⎢ ⎥ , (8)
где aB =TDATA+SIFS и
0 b RTS CTS BAR BACK 3
a =E +T +T +T +T + SIFS DIFS+ .
Используя второе неравенство в (7), докажем следующую теорему.
Теорема 1: Станции, PER которых меньше, чем
2 max
1 1
1 1 1
1 1
2 2
bound
p p
p p p p
η
⎛ − ⎞ −
= ⎜ ⎟ + −
⎝ ⎠ (9)
не должны выбираться в качестве ACK-лидеров.
Доказательство: Рассмотрим ELBP с единственным ACK-лидером (J=1). Имеем:
1 k
k p
π% = . Так как ηnACKJ+1 убывает с ростом K, то можно переписать второе неравенство в (7) для J=1, положив минимально возможное K=2:
( )
1 1 1 1 1 max
J J J
p+ − −p+ p p+ ≤η . Очевидно, в силу (9), неравенство выполняется при pJ+1≤ pbound.
Для ELBP с несколькими фиксированными ACK-лидерами (J>1), имеем:
( )
11
1 J 1 k k
k j
j
p p
π
=
= −
∏
− >% .
Таким образом, как следует из (5), PLR для не- ACK-лидеров при J>1 меньше, чем при J=1.
Следовательно, для станций, PER которых меньше pbound, PLR всегда меньше, чем ηmax, и такие станции не должны выбираться в ACK- лидеры. ■
Таким образом, решение задачи оптимизации находится в пределах B B≤ 0 и J≤J0, где J0 – номер последнего получателя, PER которого больше, чем pbound, а B0 определяется по формуле (8).
5. Численные результаты
Оптимизацию протокола ELBP с фиксированными ACK-лидерами, а также его
эффективность покажем на примере аудитории с развернутой
беспроводной сетью,
в которой
осуществляется многоадресная трансляция мультимедийной
информации 40 получателям
(Рис. 2).
Считаем, что
станции равномерно распределены по площади аудитории, имеющей следующие размеры:
R1=6м, R2=30м.
Точка доступа (Access Point – АР), подвешенная на высоте H=3м, является источником многоадресной передачи. В сети нет других много- или одноадресных передач. АР передает кадры размером L=1KБ на скорости 54 Мбит/с. Все остальные параметры протокола согласуются со стандартом IEEE 802.11е [5].
Для определения PER использована модель затухания сигнала, приведенная в [6], с критическим параметром ν=3.3. Задача максимизации минимальной пропускной способности ставится при следующих требованиях QoS: ηmax =0.08 и Tmax=6667 мкс.
В дополнение к аналитической модели разработана имитационная модель для примера аудитории, с использованием среды GPSS World [7, 8]. Сравнение численных результатов, полученных аналитически и при моделировании, показало высокую точность аналитических моделей. Погрешность в оценке PLR и пропускной способности не превысила 2%.
Используя Теорему 1, определяем верхние границы параметров протокола B0=10 и J0=5. Для каждой возможной пары (1≤ ≤B 10,1≤ ≤J 5), используя формулы (4) – (6) вычисляем максимальный PLR и минимальную пропускную способность получателей. Результаты вычислений показаны на Рис. 3 – 4. На Рис. 3 видно, что только J=3,4,5 могут удовлетворить требованию QoS на максимальный PLR. На Рис.
4 показано, что максимальная пропускная способность (около 14 Мбит/с) достигается при (J=3, B=9).
Рассмотрим, зависимости PLR от J для каждого получателя при B=9, приведенные на Рис. 5. Видим два возможных значения J удовлетворяющих требованиям к качеству по PLR для каждого получателя: J=3 и J=4.
Кривая J=1 соответствует LBP, улучшенному с помощью механизма блочной посылки пакетов.
При J=1 второй получатель не является ACK- лидером. Однако у него почти такой же PER, как
и у первого получателя, являющегося ACK- лидером. Это приводит к тому, что PLR второго получателя, равный 0.23, оказывается в 3 раза больше, чем ηmax.
На графике также видно, что PLR некоторых получателей (ACK-лидеров) растет с ростом J.
Это происходит вследствие уменьшения максимального числа повторных передач K. Для того чтобы это увидеть, достаточно сравнить кривые J=4 и J=5. Таким образом, легко сделать вывод, что в случае BMMM, когда все получатели являются ACK-лидерами, PLR становится очень высоким и не может удовлетворять таким жестким требованиям к качеству, как при J=3.
Подводя итог, можно с полной уверенностью сказать, что предложенный протокол ELBP с фиксированными АСК-лидерами превосходит
LBP и BMMM по надежности при одинаковых требованиях QoS.
6. Заключение
В спецификации протокола IEEE 802.11 не предусмотрено механизмов надежной многоадресной передачи данных. В данной работе детально рассмотрен новый протокол многоадресной передачи с фиксированными АСК-лидерами, обеспечивающий надежную доставку данных в сетях IEEE 802.11. Показано, что требования QoS могут быть удовлетворены настройкой размера блока пакетов и числа ACK- лидеров. Разработанная аналитическая модель для оценки показателей надежности и производительности и нахождения оптимальных параметров схемы, показала, что ELBP может успешно применяться для мультимедийных приложений с высокими требованиями к качеству доставки.
Предложенный протокол сочетает высокую надежность и эффективность и после незначительных модификаций может быть легко адаптирован для беспроводных сетей других типов, например, IEEE 802.16.
7. Литература
[1] Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. ANSI/IEEE Std. 802.11. IEEE Press, 1999 Edition
[2] Joy Kuri and Sneha Kumar Kasera, “Reliable Multicast in Multi-access Wireless LANs,” Wireless Networks, Vol. 7, no. 4, pp. 359 – 369, August 2001 [3] Yongho Seok, Diego Dujovne, Thierry Turletti, Pedro
Cuenca, “Leader based Multicast Proposal,” IEEE 802.11-07/0144r2, January 2007
[4] Min-Te Sun, Lifei Huang, Anish Arora, Ten-Hwang Lai, “Reliable MAC Layer Multicast in IEEE 802.11 Wireless Networks,” Proc. ICCP’02
[5] 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, 2004
[6] Benny Bing, Wireless Local Area Networks. The new wireless revolution, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2002
[7] GPSSWorld®, http://www.minutemansoftware.com [8] T.J. Schriber, Simulation using GPSS, John Wiley &
Sons, 1974 0
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
B
PLR
J=1 J=2 J=3 J=4 J=5
Рис. 3. Максимальный PLR
0 5 10 15 20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
B
Проп. способность, Мбит/с
J=1 J=2 J=3 J=4 J=5
Рис. 4. Минимальная пропускная способность
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Номер получателя
PLR
J=1 J=2 J=3
J=4 J=5
Рис. 5. PLR получателей при B=9