Увеличаване на пропускателната способност на мрежата с подобрен MAC протокол

Преодоляване на ограниченията на безжичната скорост

Статията разглежда факторите, които ограничават скоростта на предаване на данни в радиочестотен канал: капацитет на канала, честотна лента и ниво на шума. Описани са методите, използвани за увеличаване на скоростта на предаване (включително в 3G мрежи). Изтъкват се техните предимства и недостатъци.

Тестване на комуникационни системи на оборудване на JFW Industries

Статията описва възможностите на устройствата за тестване и отстраняване на грешки в комуникационни системи на американската компания JFW Industries, благодарение на които производителите на устройства, безжичните оператори и разработчиците на свързан софтуер могат да симулират взаимодействието на компонентите на системата в лабораторията за по-нататъшно отстраняване на грешки.

Увеличаване на пропускателната способност на мрежите 802.11n чрез подобряване на MAC протокола. Част 1

Съвременният пазар изисква все по-високи скорости на данни, извършвани в нелицензирани честотни ленти, а развитието на полупроводниковата технология осигури отлична основа за внедряването на високоскоростни безжични мрежи. В новия стандарт 802.11n максималната скорост на предаване се е увеличила повече от 10 пъти, докато на ниво MAC не е възможно да се постигне сравним успех. Част 1 описва някои промени и подобрения в MAC протокола и тяхното въздействие върху пропускателната способност на мрежата.

Реклама на нашите партньори

Увеличаване на пропускателната способност на мрежите 802.11n чрез подобряване на MAC протокола. Част 2

Част 2 на тази статия (започваща в EC10) описва промените и подобренията на MAC протокола и тяхното въздействие върху пропускателната способност на мрежата.

Ориз. 6. A-MPDU агрегиране
пропускателната

Двустепенно агрегиране

Двустепенното агрегиране включва използването на двата вида обединяване на рамки - A-MSDU и A-MPDU (вижте Фигура 7). Поддръжката за този тип сливане не е задължителна и трябва да бъде декларирана на етапа преди установяване на връзка. Този тип агрегиране е полезно в тези изключителни случаи, когато трябва да се предаде малка MSDU последователност. В този случай, когато се използва само A-MPDU, ограничението от 64 обединени кванта води до това, че значителна част от честотната лента остава неизползвана. Подобна ситуация възниква, когато се използват големи пакети потребителски данни за увеличаване на скоростта на предаване.

Ориз. 7. Двустепенно агрегиране
пропускателната

Описаните методи за агрегиране на данни на протокола се различават по възможните начини за тяхното прилагане. Агрегирането на A-MSDU може да се извърши от хост системата, за да изчака пристигането на необходимия брой MSDU кванти. За разлика от този механизъм, количественото агрегиране на MPDU се извършва от самия мрежов интерфейс, което ограничава периода на изчакване на количеството на MPDU до капацитета на неговия буфер на опашката на пакети. В този случай A-MSDU са опаковани в един MPDU с един номер на опашка. Ако възникне грешка при предаване на MPDU, предаването трябва да се опита отново. От друга страна, тъй като всеки MPDU срез има свой собствен уникален разделителен код в A-MPDU агрегат, само грешните срезове трябва да бъдат препредадени, когато възникнат грешки. И накрая, агрегирането на A-MSDU е много по-ефективно от A-MPDU, защото в последния процес към всеки подкадър се добавя пълен MPDU хедър.

Механизъм за потвърждение на блок

Този механизъм, който беше въведен за първи път в 802.11e, е променен в 802.11n ифинализиран.

Безусловно потвърждение на блока

Първото подобрение беше изтриването на заявката за потвърждение на блок (BAR). Това искане е изключено, защото генерирането на рамка за потвърждение е стандартният отговор за получаване на A-MPDU пакет. Последователността на обмен на блоков трансфер е показана на Фигура 8а. Това намали излишъка на предадените данни и елиминира един от възможните източници на грешка, свързан с вероятността за погрешно получаване на блоково потвърждение BA. В 802.11n е възможно да се изпратят множество A-MPDU с потвърждение с един BA кадър. В този случай всички агрегати A-MPDU с изключение на последните се изпращат до приемника със зададена политика за потвърждение на блок и тяхното получаване се записва само в статуса на получаване от приемащата страна. Последният агрегат се изпраща със знак за нормално потвърждение, което предизвиква генериране и изпращане на потвърждение за блок, съдържащо състоянието на всички агрегати, получени след изпращането на предишното потвърждение за блок. Алтернатива на този метод е да изпратите всички агрегати с флага на политиката за потвърждение на блок и специална BAR заявка. Тези опции са показани на фигури 8b и 8c.

Ориз. 8. Формиране на потвърждение на блок
способност

Блокиране на потвърждение за компресиране

Установено е, че фрагментирането и агрегирането на кадри са слабо съвместими едно с друго. Целта на фрагментирането е да се подобри надеждността на предаване в шумен канал чрез разбиване на дълъг кадър на малки фрагменти. Това увеличава вероятността за правилно приемане на всеки фрагмент и намалява разходите за повторно предаване. В същото време, при добри условия на предаване, малките рамки се комбинират, за да се намалят режийните разходи.информация в общия поток от данни. Естествено, в стандарта 802.11n фрагментирането на MSDU кванти, които са част от агрегата A-MPDU, беше забранено. В резултат на това в рамката за потвърждение на блока се оказа достатъчно да се разпредели само 1 бит за всеки MPDU квант. По този начин беше възможно да се намали дължината на такъв компресиран блоков сигнал за потвърждение само до 64 бита в сравнение с 1024 бита на некомпресирания BA пакет. Съответно, той заема по-малко място в паметта на приемника, отнема по-малко време за предаване и може да се предава с по-стабилен метод на модулация.

Блокиране на потвърждение на междинни състояния

Системата за потвърждение на блокове 802.11n изисква приемникът да съхранява състоянието на всички получени MPDU кванти по време на всички сесии за обмен на блокове. Тъй като рамката за потвърждение на блок трябва да бъде незабавно генерирана и предадена в отговор на входяща заявка за потвърждение на блок, това представлява особен проблем по отношение на компромиса между заетата памет и скоростта на достъп до необходимите данни. Стандартът 802.11n решава този проблем, като позволява да се съхраняват само последните няколко блокови предавания. Това се постига чрез прехвърляне на задачата за съхраняване на информация към предаващата страна, която търси необходимите данни, преди те да бъдат анулирани (и презаписани) от приемащата страна. Ако съответният ред в масива за потвърждение на приемника трябва да бъде презаписан до момента, в който пристигне заявка за потвърждение на блок, приемникът трябва незабавно да генерира BA рамка с всички битове, зададени на 0. Това кара всички MPDU кванти да бъдат повторно предадени. Типичен сценарий, който използва подобен механизъм, е предаването на един или повече A-MPDU иполучаване на отговор за потвърждение на блок по време на единичен TxOP период, както е показано на фигура 8.

Протокол за обратно изпращане

В някои приложения, като например при прилагане на FTP и HTTP протоколите, трафикът става значително асиметричен, т.е. количеството данни, прехвърлени в една посока, е много по-голямо от количеството данни, прехвърлени в обратната посока. Скоростите на предаване в двете посоки обаче са ясно свързани, като скоростта на предаване в права посока се определя от забавянето на предаването в обратна посока. При нормална работа това означава, че приемникът трябва да получи благоприятния режим на предаване на TxOP и да изпрати рамки за потвърждение. Това създава два проблема: първо, има забавяне в предаването на сигнала за потвърждение, и второ, възможностите на режима TxOP в обратна посока се използват изключително неефективно. И двата проблема в стандарта 802.1n се решават чрез въвеждане на т.нар. Протокол за обратна посока (RDP). Тя ви позволява да организирате двупосочен режим на най-облагодетелствана нация, чиято същност е, че TxOP предоставя част от възможностите на друга станция за използване. Този метод се реализира по два начина - например предавателят в права посока може да разпредели време на своя съсед да изпрати своя кадър за потвърждение в края на собствената си TxOP сесия или приемникът, след като е получил TxOP на свое разположение, след получаване на очаквания сигнал за потвърждение, прекратява тази сесия. Това подобрение в правилата за достъп до медиите изисква много малко контролни сигнали, но експерименталното тестване показа, че може да увеличи общата пропускателна способност на медиите с 40%.

Управлявайте и използвайте функциите на устройствотофизически слой

И накрая, трябва да се отбележи, че няколко процеса трябва да се изпълняват на MAC слоя, за да се възползват правилно от подобренията, които са въведени в стандарта за физическия слой на предаване.

Първата стъпка (и най-важна) е да се получи управляващата матрица, която се използва при формирането на предавателния лъч. В процеса на формиране на оптималната диаграма на излъчване на предавателя, той инициира процедурата за установяване на връзка, по време на която приемникът трябва да изчисли и изпрати информация за състоянието на комуникационния канал към предавателя възможно най-скоро. При формиране на оптималната конфигурация на антената на приемника, той трябва да изпрати заявка за предаване, което ще ви позволи оптимално да конфигурирате комуникационния канал. В допълнение към това трябва да се компенсират всички несъответствия в аналоговата част на приемните и предавателните устройства. Предавателят запомня получената информация и я използва за по-нататъшен обмен на данни.

Стандартът 802.11n предоставя 77 различни опции за конфигурация на канала за предаване, различаващи се по броя на потоците от данни, модулационната схема, скоростта на предаване и честотната лента на канала. От това разнообразие се избира ограничен набор от схеми за определен канал, въз основа на възможностите на приемника и предавателя. Блокът за контрол на достъпа до медиите трябва да се опита да избере най-добрата опция за конкретен кадър и да го предаде на контролната система на физическия слой. Такъв избор не е нещо фиксирано и трябва да се коригира в съответствие с променящите се условия. Преди приемането на стандарта 802.11n, изборът на скорост на предаване беше отговорност на предаващата страна, докато новият стандарт въведе нов протокол за избор на конфигурация (MCSпротокол за обратна връзка) позволява на предавателя да поиска информация от приемника, преди да вземе решение за избора на оптимална скорост на предаване.

Освен това системата за контрол на достъпа до медиите трябва правилно да избере типа и степента на агрегиране, които ще се използват в процеса на обмен на данни. До голяма степен този избор се определя от компромис между закъсненията в процеса на предаване, които възникват по време на агрегирането, но дължината на рамката също се определя от текущите условия на предаване.

И накрая, системата за контрол на достъпа трябва да осигурява обратна съвместимост с устройства, които поддържат предишни версии на стандарта. В същото време устройства с ширина на канала 20 MHz трябва да работят нормално в мрежата заедно с устройства от новия стандарт. За тази цел протоколът MAC е допълнен с функции, които оптимизират скоростта на предаване, когато в обхвата има устройства със стари версии и устройства с различни нива на поддръжка за новия стандарт.

Заключение

Това приключва нашето обсъждане на модификациите на MAC слоя в стандарта 802.11n. Както беше отбелязано по-рано, скоростите, достъпни за устройства от по-ранни версии на стандарта 802.11a / b / g в новата версия, са се увеличили с повече от порядък. Това стана възможно благодарение на използването на няколко канала за предаване на данни едновременно през няколко антени, разширяването на честотната лента и др. За да се превърне това ускорение в увеличение на скоростта на трансфер на потребителски данни, протоколът за контрол на достъпа до медии (MAC) е значително подобрен. Целта на тази ревизия беше да се намалят режийните разходи за предаване на служебна информация. Основните методи за постигане на тази цел са различни методи за агрегиране на данни, блоково предаване и потвърждение и оптимизиране на двупосочно предаване внеравностойни мрежови протоколи. Освен това към протокола са добавени механизми, които поддържат правилната и оптимална работа на новите функции на физическия слой. С прилагането на всички тези подобрения, максималната скорост на предаване, която достига 600 Mbps на физическия слой, се повиши до 375 Mbps на MAC слоя. Всъщност това означава, че съвременните безжични мрежи осигуряват същата скорост на трансфер на данни като кабелните 1Gb мрежи. С разпространението на новия стандарт замяната на кабелните Ethernet мрежи с безжични е все по-близо.

Публикувано от Пробир Саркар, ARM инженер