Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 16 июля
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Преодоление ограничений скорости передачи по беспроводному каналу

В статье рассмотрены факторы, ограничивающие скорость передачи данных в радиочастотном канале: емкость канала, полоса частот и уровень шума. Описаны методы, применяемые для увеличения скорости передачи (в т.ч. в сетях 3G). Выделены их достоинства и недостатки.

Тестирование систем связи на оборудовании JFW Industries

В статье рассказывается о возможностях приборов для тестирования и отладки систем связи американской компании JFW Industries, благодаря которым производители устройств, операторы беспроводной связи и разработчики соответствующего программного обеспечения могут в лабораторных условиях смоделировать взаимодействие компонентов системы для ее дальнейшей отладки.

Увеличение пропускной способности сетей 802.11n за счёт усовершенствования протокола MAC. Часть 1

Современный рынок требует всё больших скоростей передачи данных, осуществляемой в нелицензируемых частотных диапазонах, и развитие полупроводниковой техники дало прекрасную основу для реализации высокоскоростных беспроводный сетей. В новом стандарте 802.11n максимальная скорость передачи увеличилась более чем в 10 раз, тогда как на MAC-уровне не удалось добиться сравнимых успехов. В Части 1 описаны некоторые изменения и доработки в MAC-протоколе и их влияние на пропускную способность сетей.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

3 декабря

Увеличение пропускной способности сетей 802.11n за счёт усовершенствования протокола MAC. Часть 2

В Части 2 этой статьи (начало см. в ЭК10) описаны изменения и доработки в MAC-протоколе и их влияние на пропускную способность сетей.



A-MPDU

Кванты данных MAC-протокола в конце процесса его работы аккумулируются в единственном кванте данных A-MPDU. Этот процесс отображён на рисунке 6. К каждому подкадру добавляется ограничитель (в начале подкадра) и заглушка для выравнивания по 32-битной границе в конце. Ограничитель содержит длину кванта MPDU, сигнатуру и код циклического контроля. Целью введения ограничителя является предоставление возможности приёмнику выделения отдельного кванта из агрегата, даже если один из предыдущих ограничителей принят с ошибкой. Все MPDU в агрегате должны относиться к одной категории и иметь один адресат. Полная длина этого агрегата ограничивается числом 8, 16, 32 или 64 Кбайт в зависимости от возможностей приёмника. Поскольку агрегат передаётся как единое целое на физическом уровне, то настройка приёмника осуществляется только один раз, в начале процесса передачи. В то же время в процессе передачи условия приёма могут существенно измениться, что приведёт к возникновению ошибок. Следовательно, максимальная длина агрегата ограничивается также максимальным временем когерентности канала связи. Ещё одним ограничением является максимальное число агрегируемых квантов MPDU, равное 64, что связано ограничением на время поступления подтверждения блочной передачи. И, наконец, последним ограничением является максимальное количество кадров в очереди передатчика, т.к. инкапсуляция и агрегирование MPDU осуществляется сетевым интерфейсом.

Рис. 6. Агрегация A-MPDU

Двухуровневая агрегация

Двухуровневая агрегация предполагает использование обоих видов слияния кадров — A-MSDU и A-MPDU (см. рис. 7). Поддержка этого вида слияния является опциональной и должна декларироваться на этапе, предшествующем установлению связи. Этот тип агрегации полезен в таких исключительных случаях, когда должна быть передана последовательность MSDU малого размера. В данном случае при использовании только A-MPDU предел в 64 объединяемых кванта приводит к тому, что существенная доля пропускной способности остаётся незадействованной. Аналогичная ситуация возникает при использовании пакетов пользовательских данных большого размера для повышения скорости передачи.

Рис. 7. Двухуровневая агрегация

Описанные способы агрегации данных протокола отличаются возможными способами их реализации. Агрегация A-MSDU может быть выполнена хост-системой, позволяющей ожидать поступления требуемого числа квантов MSDU. В противоположность этому механизму агрегация квантов MPDU выполняется собственно сетевым интерфейсом, что ограничивает период ожидания квантов MPDU ёмкостью его буфера очередей пакетов. При этом агрегаты A-MSDU упаковываются в одиночный MPDU с одним-единственным номером в очереди. Если при передаче MPDU возникает ошибка, эту передачу требуется повторить заново. С другой стороны, поскольку в агрегате A-MPDU каждый квант MPDU имеет свой уникальный код-ограничитель, при возникновении ошибок требуется повторная передача только ошибочных квантов. И, наконец, агрегация A-MSDU намного эффективнее A-MPDU, т.к. в процессе последней к каждому субкадру добавляется полный заголовок MPDU.

Механизм блочного подтверждения

Этот механизм, впервые введённый в стандарте 802.11e, в версии 802.11n был изменён и доработан.

Безусловное блочное подтверждение

Первым усовершенствованием стало исключение запроса подтверждения приёма блока (BAR). Этот запрос был исключён, т.к. генерация кадра подтверждения является стандартной реакцией на получение пакета A-MPDU. Последовательность обмена при блочной передаче показана на рисунке 8а. Это уменьшило избыточность передаваемых данных и устранило один из возможных источников ошибок, связанный с вероятностью ошибочного приёма блочного подтверждения BA. В стандарте 802.11n возможна передача множества агрегатов A-MPDU с подтверждением единственным кадром BA. В этом случае все, кроме последнего, агрегаты A-MPDU посылаются в приёмник с установленной политикой блочного подтверждения, и их приём только фиксируется в статусе приёма на принимающей стороне. Последний же агрегат посылается с признаком нормального подтверждения, что вызывает генерацию и посылку блочного подтверждения, содержащего статус всех принятых с момента посылки предыдущего блочного подтверждения агрегатов. Альтернативой этому методу является посылка всех агрегатов с признаком политики блочного подтверждения и специального запроса BAR. Эти варианты показаны на рисунках 8б и 8в.

Рис. 8. Формирование блочного подтверждения

Сжатие блочного подтверждения

Обнаружилось, что фрагментация и агрегация кадров плохо сочетаются друг с другом. Целью фрагментации является улучшение надёжности передачи в зашумлённом канале за счёт разбиения длинного кадра на мелкие фрагменты. Это увеличивает вероятность правильного приёма каждого фрагмента и уменьшает накладные расходы на повторные передачи. В то же время при хороших условиях передачи кадры малого размера объединяются для уменьшения доли служебной информации в общем потоке данных. Естественно, что в стандарте 802.11n фрагментация квантов MSDU, являющихся частью агрегата A-MPDU, была запрещена. В результате в кадре блочного подтверждения на каждый квант MPDU оказалось достаточно отвести всего 1 бит. Таким образом, длину такого сжатого сигнала блочного подтверждения оказалось возможным сократить всего до 64 бит по сравнению с 1024 битами несжатого пакета BA. Соответственно, он занимает меньше места в памяти приёмника, требует меньшего времени для передачи и может быть передан более помехоустойчивым методом модуляции.

Блочное подтверждение промежуточных состояний

Система блочных подтверждений стандарта 802.11n требует, чтобы получатель обеспечил хранение статуса всех принятых квантов MPDU за время всех сессий блочного обмена. Поскольку кадр блочного подтверждения должен быть немедленно сгенерирован и передан в ответ на поступивший запрос блочного подтверждения, это представляет определённую проблему с точки зрения компромисса между занимаемой памятью и скоростью доступа к требуемым данным. В стандарте 802.11n эта проблема решается за счёт возможности хранить информацию только о немногих последних блочных передачах. Это обеспечивается за счёт перекладывания задачи хранения информации на передающую сторону, которая ищет необходимые данные до того, как они будут отменены (и перезаписаны) на принимающей стороне. Если соответствующая строка в массиве подтверждений в приёмнике должна быть перезаписана к моменту поступления запроса на блочное подтверждение, приёмник должен немедленно сгенерировать кадр BA со всеми битами, сброшенными в 0. Это вызывает повторную передачу всех квантов MPDU. Типичным сценарием, в котором используется подобный механизм, является передача одного или более агрегатов A-MPDU и получение ответа в виде блочного подтверждения в ходе единственного периода TxOP, как показано на рисунке 8.

Протокол обратной передачи

В некоторых приложениях, например, при реализации протоколов FTP и HTTP, трафик становится существенно асимметричным, т.е. объём данных, передаваемых в одном направлении, существенно превосходит объём данных, передаваемых в обратном. Однако при этом скорости передачи в обоих направлениях чётко связаны, причём скорость передачи в прямом направлении определяется задержкой передачи в обратном. В нормальном режиме работы это означает, что получатель должен получить режим благоприятной передачи TxOP и передавать кадры подтверждения приёма. При этом появляются две проблемы: во-первых, возникает задержка в передаче сигнала подтверждения и, во-вторых, возможности режима TxOP в обратном направлении используются крайне неэффективно. Обе эти проблемы в стандарте 802.1n решаются за счёт введения т.н. протокола обратной передачи RDP (Reverse Direction Protocol). Он позволяет организовать двунаправленный режим наибольшего благоприятствования, суть которого заключается в том, что TxOP предоставляет в пользование часть возможностей другой станции. Этот метод реализуется двумя способами — например, передатчик в прямом направлении может выделить время своему соседу для передачи его кадра подтверждения в конце собственной сессии TxOP, либо приёмник, получив в своё распоряжение TxOP, после получения ожидаемого сигнала подтверждения завершает эту сессию. Такое усовершенствование правил доступа к среде передачи требует очень малого количества управляющих сигналов, но экспериментальная проверка показала, что оно способно увеличить общую пропускную способность среды на 40%.

Управление и использование особенностей устройств физического уровня

И, наконец, необходимо отметить, что на MAC-уровне должно быть запущено несколько процессов, позволяющих должным образом использовать те усовершенствования, которые были введены в стандарте для физического уровня передачи.

Первым делом (и это наиболее важно) следует получить управляющую матрицу, которая используется при формировании передающего луча. В процессе формирования оптимальной диаграммы направленности передатчика он инициирует процедуру установления связи, в процессе которой приёмник должен рассчитать и как можно быстрее отправить передатчику информацию о состоянии канала связи. При формировании оптимальной антенной конфигурации приёмника он должен отправить запрос на передачу, что позволит оптимальным образом настроить канал связи. В дополнение к этому должны быть скомпенсированы все рассогласования в аналоговой части приёмного и передающего устройств. Передатчик запоминает полученную информацию и использует её при дальнейших обменах данными.

В стандарте 802.11n предусмотрено 77 различных вариантов конфигурации канала передачи, отличающихся количеством потоков данных, схемой модуляции, скоростью передачи и полосой пропускания каналов. Из этого многообразия для конкретного канала выбирается ограниченный набор схем, базирующийся на возможностях приёмника и передатчика. Блок управления доступом к среде должен попытаться выбрать наилучший вариант для конкретного кадра и передать его системе управления на физический уровень. Такой выбор не является чем-то неизменным и должен корректироваться в соответствии с изменяющимися условиями. До принятия стандарта 802.11n выбор скорости передачи являлся задачей исключительно передающей стороны, в то время как в новом стандарте появился новый протокол выбора конфигурации (MCS feedback protocol), позволяющий передатчику запросить информацию у приёмника до принятия решения о выборе оптимальной скорости передачи.

Помимо этого, система управления доступом к среде должна правильно выбрать тип и степень агрегации, которые будут использоваться в процессе обмена данными. В значительной мере такой выбор определяется компромиссом между возникающими при агрегации задержками в процессе передачи, однако длина кадра определяется ещё и текущими условиями передачи.

И, наконец, система управления доступом должна обеспечивать обратную совместимость с устройствами, поддерживающими прежние версии стандарта. При этом устройства с шириной канала 20 МГц должны нормально работать в сети совместно с устройствами нового стандарта. Для этого MAC-протокол был дополнен функциями, обеспечивающими оптимизацию скорости передачи при наличии в радиусе действия устройств старых версий и устройств с различным уровнем поддержки нового стандарта.

Заключение

На этом мы закончим рассмотрение модификаций MAC-уровня в стандарте 802.11n. Как уже отмечалось ранее, скорости, доступные устройствам ранних версий стандарта 802.11a/b/g в новой версии увеличились более чем на порядок. Это стало возможным за счёт использования одновременно нескольких каналов передачи данных через несколько антенн, расширения полосы частот и т.д. Для того чтобы превратить это ускорение в увеличение скорости передачи пользовательских данных, был существенно доработан протокол управления доступом к среде (MAC-протокол). Целью при этой доработке стало уменьшение непроизводительных расходов на передачу служебной информации. Основными методами достижения этой цели стали различные способы агрегации данных, блочной передачи и подтверждения и оптимизация двунаправленной передачи в неравноправных сетевых протоколах. Помимо этого в протокол были добавлены механизмы, поддерживающие корректную и оптимальную работу новых функций физического уровня. При реализации всех этих усовершенствований максимальная скорость передачи, на физическом уровне достигающая 600 Мбит/с, на MAC-уровне поднялась до 375 Мбит/с. Фактически это означает, что современные беспроводные сети обеспечивают ту же скорость передачи данных, что и проводные сети класса 1 Гбит. С распространением нового стандарта становится всё более близкой замена проводных сетей Ethernet-стандарта беспроводными.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Пробир Саркар (Probir Sarkar), инженер ARM



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты