Dla potrzeb niniejszej rozprawy doktorskiej, jako referencyjny interfejs bezprzewodowy poddanej badaniom symulacyjnym sieci WLAN standardu IEEE 802.11 wybrano kartę 3COM 3CRPAG175 11a/b/g opartą na układzie Atheros [athe_03]. O wyborze tej właśnie karty zadecydowała jej duża popularność wśród zarówno projektantów, jak i użytkowników współczesnych sieci WLAN.
Rozszerzając możliwości funkcjonalne symulatora NS-2 zdecydowano się na implementację tylko tych przepływności, które standard IEEE 802.11 definiuje jako obligatoryjne, tj. 1, 2, 5,5, 6, 9, 11, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s. Wszystkie przepływności opcjonalne zostały pominięte.
Najważniejsza modyfikacja polegała na implementacji w symulatorze NS-2 nowej metody wyznaczania ramkowej stopy błędów. Nowa metoda obliczania ramkowej stopy błędów uwzględniała typ modulacji i kodowania korekcyjnego stosowany przez stacje abonenckie w czasie transmisji określonej ilości danych.
Przy wyznaczaniu ramkowej stopy błędów założono, że podczas transmisji jednej ramki funkcja przenoszenia kanału radiowego nie ulega zmianom, co pozwalało przyjąć, że detekcja sygnału nośnego odbywa się jedynie w obecności szumu gaussowskiego. Powyższe założenie zostało oparte na wzorze (3.9), określającym czas koherencji kanału.
Dla scenariusza 3 wartość czasu koherencji kanału obliczona ze wzoru (3.9) dla maksymalnej szybkości przemieszczania się stacji abonenckiej wynoszącej 50 km/h oraz częstotliwości 2,4 GHz, wynosi około 4,5 ms. Tym samym przy przyjęciu najbardziej niekorzystnego wariantu transmisji, tj. przesłanie z przepływnością 1 Mbit/s ramki o maksymalnej, dozwolonej przez standard, długości 2200 bajtów, trwałoby około 17,6 ms. A to oznacza, że przy założeniu braku zmian funkcji przenoszenia kanału radiowego podczas transmisji jednej ramki, nie byłaby możliwa symulacja scenariusza 3 dla przepływności 1 i 2 Mbit/s. Założenie o stacjonarności kanału w tym scenariuszu jest dopiero spełnione dla przepływności 5,5 Mbit/s, przy której maksymalny czas transmisji ramki wynosi 3,2 ms. W związku z powyższym z symulacji sieci WLAN dla scenariusza 3, odnoszącego się do systemu łączności ruchomej na wolnym powietrzu, usunięte zostały tryby pracy stacji z przepływnością 1 i 2 Mbit/s.
Szum na wejściu odbiornika modelowano jako sumę szumu termicznego odbiornika i zakłóceń interferencyjnych, pochodzących od innych stacji bezprzewodowych [xiuc_04]. Zakładano, że sygnały generowane przez stacje zakłócające nie były ze sobą skorelowane.
W tych trybach pracy stacji, które nie korzystały z kodowania splotowego przyjęto, że kolejne bity tworzące ramkę były dekodowane niezależnie od siebie, co nie uwzględniło zysku wynikającego z zastosowania w procesie detekcji korektorów z decyzyjnym sprzężeniem zwrotnym DFE (Decision Feedback Equalizer).
42 MODEL SYMULACYJNY SIECI WLAN ZE STACJAMI PRACUJĄCYMI Z WIELOMA PRZEPŁYWNOŚCIAMI
Po uwzględnieniu powyższych założeń prawdopodobieństwo błędnego odbioru ramki na wyjściu odbiornika wyznaczono ze wzoru opartego na schemacie Bernouliego dla poszczególnych komponentów ramki:
( ) ( ) ( )
[
PRE PLCP LDATA]
DATA BER L PLCP BER L PRE BER P P P FER=1− 1− _ 1− _ 1− _ (3.10)gdzie: PBER_PRE – prawdopodobieństwo błędu pojedynczego bitu w preambule ramki, PRE
L – liczba bitów preambuły, PBER_PLCP – prawdopodobieństwo błędu pojedynczego bitu w nagłówku PLCP ramki, LPLCP – liczba bitów w nagłówku PLCP,
DATA BER
P _ – prawdopodobieństwo błędu pojedynczego bitu danych, LDATA – liczba bitów danych.
Dla konfiguracji opartych na technice OFDM przyjęto założenie o braku interferencji ICI (InterCarrier Interference) między podnośnymi. W konfiguracjach tych z uwagi na występowanie kodowania splotowego ramkową stopę błędów określono na podstawie zależności:
( ) ( ) ( )
[
DATA]
L PLCP BER L PRE BER P FER P FER PRE PLCP − − − − =1 1 _ 1 _ 1 (3.11)gdzie FERDATA– prawdopodobieństwo błędu pola danych ramki, obliczone ze wzoru (2.11).
Ponadto przy wyznaczaniu zależności bitowej stopy błędów BER w funkcji
0 N
Eb skorzystano ze wzorów teoretycznych, zamieszczonych w tabelach 2.1 i 2.3. W trybach pracy stacji abonenckich nie korzystających z techniki OFDM wartość
0 N
Eb w powiązaniu ze stosunkiem mocy sygnału odbieranego do mocy szumów termicznych i interferencyjnych C N wyznaczono na podstawie wzoru:
N C n R B G N E f b W C b ⋅ ⋅ = 0 (3.12) gdzie: N
C – stosunek mocy średniej sygnału nośnej do mocy szumów w całym paśmie toru przeddetekcyjnego,
W
B – szerokość pasma toru przeddetekcyjnego odbiornika,
C
G – zysk przetwarzania związany z rozpraszaniem widma,
b
R – szybkość transmisji danych w warstwie fizycznej,
f
MODEL SYMULACYJNY SIECI WLAN ZE STACJAMI PRACUJĄCYMI Z WIELOMA PRZEPŁYWNOŚCIAMI 43
W trybach korzystających z OFDM związek między C N a Eb N0 wyrażał się zależnością [ho_03]: N C R N N N T T n N E C BPSC ST FFT FFT S f b ⋅ = 1 1 0 (3.13) gdzie: FFT
N – rozmiar transformaty Fouriera, równy 64, ST
N – liczba nośnych wykorzystywanych do transmisji danych, równa 48, C
R – współczynnik sprawności kodu splotowego, S
T – czas trwania symbolu OFDM, równy 4 µs, FFT
T – czas ortogonalności, równy 3,2 µs, BPSC
N – liczba bitów przypadających na symbol kodowy danej podnośnej.
W stosunku do implementacji protokołu MAC, wbudowanej w symulator NS-2, zmieniono również sposób generowania ramek potwierdzeń ACK, pozwalający na lepsze odzwierciedlenie rzeczywistości. Oryginalny protokół MAC zaimplementowany w NS-2 pozwalał na przesyłanie ramek ACK tylko z przepływnością 1 Mbit/s. W nowej, autorskiej implementacji zastosowano zgodną ze standardem metodę generowania ramek ACK z przepływnością odpowiadającą przepływności potwierdzanej ramki lub dowolną niższą z podstawowego zestawu przepływności obsługiwanych w danym ESS (Extended Service Set).
Ponieważ podczas pracy sieci bezprzewodowej w standardzie IEEE 802.11b/g interfejsy bezprzewodowe mogą pracować z długim oraz krótkim nagłówkiem, a także z nagłówkiem typu ERP-OFDM, zatem, aby poprawnie symulować każdą z tych trzech możliwości, wprowadzono odpowiednie zmiany w skryptach symulatora NS-2.
Symulację systemów łączności nomadycznej i ruchomej w środowiskach radiokomunikacyjnych przedstawionych w tabeli 3.1 zrealizowano za pomocą zmodyfikowanego modelu propagacyjnego kanału radiowego, który opisano i zaimplementowano w pracy [punn_00]. Model składał się z dwóch komponentów: deterministycznego – opisującego zanik wolny i pseudolosowego – opisującego zanik wielodrogowy.
W przypadku zastosowanego w symulatorze modelu, zmiany średniego poziomu sygnału, wynikające ze zmiany odległości między nadajnikiem i odbiornikiem, opisano modelem dwupromieniowym [rapp_02]:
≥ < =
λ
π
λ
π
π
λ
r t r t r t t r t r t t r h h d dla d h h G G P h h d dla d G G P P 4 4 4 4 2 2 2 2 (3.14)44 MODEL SYMULACYJNY SIECI WLAN ZE STACJAMI PRACUJĄCYMI Z WIELOMA PRZEPŁYWNOŚCIAMI
gdzie:
d – odległość między stacjami w [m],
λ
– długość fali nośnej w [m], th ,hr – wysokości zawieszenia anten, odpowiednio nadawczej i odbiorczej w [m], t
G ,Gr – zyski energetyczne, odpowiednio anteny nadawczej i odbiorczej w [dBi], t
P – moc wyjściowa nadajnika w [W].
Zanik wielodrogowy spowodowany ruchem stacji, lub obiektów znajdujących się w jej otoczeniu był emulowany z wykorzystaniem profili zanikowych generowanych na podstawie funkcji dopplerowskiego rozpraszania częstotliwości. W celu odtworzenia warunków pracy stacji najbliższych rzeczywistości, dla każdej pary stacji była utrzymywana osobna struktura danych, zapewniająca zachowanie ciągłości funkcji autokorelacji procesu opisującego zanik wielodrogowy. Zbiór danych opisujący proces zaniku wielodrogowego był generowany za pomocą metody opisanej w pracach [patz_02] i [smit_75]. Oryginalny model był wyposażony jedynie w zbiór danych pozwalających na generowanie procesu zaników wielodrogowych opisanych widmem Jakesa. Pozostałe profile zanikowe zostały wygenerowane z wykorzystaniem skryptów napisanych przez autora rozprawy w środowisku Matlab [siko_10].
Tabela 3.2.
Maksymalna teoretyczna szybkość transmisji na poziomie warstwy aplikacji dla kart bezprzewodowych opartych na układzie Atheros [athp_03]
Tryb pracy
stacji Modulacja
Maksymalna szybkość transmisji dla protokołu TCP
Dane producenta Wyniki symulacji
802.11b/g OFDM/CCK 14,40 Mbit/s 14,19 Mbit/s 802.11g OFDM/CCK 24,40 Mbit/s 25,42 Mbit/s
W celu weryfikacji poprawności pracy zmodyfikowanego dla potrzeb rozprawy symulatora NS-2 przeprowadzono szereg eksperymentów, w ramach których sprawdzono, między innymi, zgodność wyników symulacji z parametrami katalogowymi kart bezprzewodowych opartych na układzie Atheros [siko_08]. W celu porównania parametrów katalogowych z parametrami uzyskanymi w symulatorze wykorzystano prosty układ transmisji oparty na dwóch stacjach, z których jedna pełniła rolę klienta, a druga serwera FTP. W toku eksperymentu stacja będąca klientem FTP oddalała się od serwera z krokiem równym 1 metr. Eksperyment przeprowadzono wewnątrz budynku dla przypadku łączności nomadycznej. W każdym punkcie transmitowano 30 tysięcy pakietów. Porównanie maksymalnych przepływności deklarowanych przez producenta układu i uzyskanych w procesie symulacji zestawiono w tabeli 3.2.
MODEL SYMULACYJNY SIECI WLAN ZE STACJAMI PRACUJĄCYMI Z WIELOMA PRZEPŁYWNOŚCIAMI 45
Porównano również czułości analizowanego symulacyjnie interfejsu z wartościami progowymi deklarowanymi przez producenta układu Atheros. Porównanie czułości dla poszczególnych przepływności przedstawiono w tabeli 3.3.
Tabela 3.3.
Zestawienie wartości katalogowych progów czułości odbiornika karty bezprzewodowej opartej na układzie Atheros z wynikami symulacji [3com_03]
Tryb pracy stacji
Dane techniczne IEEE
802.11 Wyniki symulacji IEEE 802.11
g b g b 54 Mbit/s –69 dBm – –68 dBm – 48 Mbit/s –70 dBm – –70 dBm – 36 Mbit/s –74 dBm – –74 dBm – 24 Mbit/s –80 dBm – –78 dBm – 18 Mbit/s –82 dBm – –81 dBm – 12 Mbit/s –84 dBm – –84 dBm – 11 Mbit/s – –86 dBm - –84 dBm 9 Mbit/s –86 dBm – –84 dBm – 6 Mbit/s –87 dBm – –86 dBm – 5,5 Mbit/s – –88 dBm – –90 dBm 2 Mbit/s – –91 dBm – –95 dBm
46 ALGORYTMY WYBORU TRYBU PRACY STACJI ABONENCKICH W SIECIACH WLAN
4. Algorytmy wyboru trybu pracy stacji
abonenckich w sieciach WLAN
W sieciach WLAN standardu IEEE 802.11, umożliwiających transmisję danych z więcej niż jedną przepływnością, optymalne skonfigurowanie stacji abonenckiej decyduje o wydajności całej sieci, postrzeganej jako zbiór maksymalnych przepustowości, osiąganych przez poszczególnych jej użytkowników.
Ponieważ standard IEEE 802.11 pozostawia wybór trybu pracy stacji kwestią otwartą, dlatego na rynku sieci WLAN pojawiło się bardzo wiele różnych algorytmów wyboru optymalnego trybu pracy stacji, które zaimplementowano w układach scalonych lub sterownikach kart sieci standardu IEEE 802.11.
Do najważniejszych zadań algorytmów odpowiedzialnych za optymalny wybór trybu pracy stacji abonenckiej należy przede wszystkim ocena warunków propagacyjnych, panujących w kanale radiowym i następnie na tej podstawie dokonanie wyboru właściwej metody modulacji i kodowania korekcyjnego informacji, gwarantujących użytkownikowi osiągnięcie w danej chwili, jak największej przepustowości.
Opisane w literaturze przedmiotu algorytmy wyboru trybu pracy stacji, implementowane w sieciach WLAN, można podzielić na trzy grupy. Pierwszą z nich, historycznie najstarszą, stanowią proste algorytmy heurystyczne zmierzające do określenia optymalnego trybu pracy stacji metodą prób i błędów. Drugą grupę stanowią algorytmy oparte na prowadzonych na bieżąco pomiarach kanału radiowego. Wprawdzie są one bardziej skomplikowane, ale za to pozwalają osiągać wyższe przepustowości. Niestety, znaczna część cześć tych algorytmów wymaga modyfikacji standardu IEEE 802.11, co sprawia, że nie doczekały się one praktycznego zastosowania. Do trzeciej grupy należą algorytmy wymagające modyfikacji jedynie oprogramowania zawartego w pamięci stałej karty bezprzewodowej. Grupa ta w rozprawie nie jest analizowana z uwagi na brak możliwości zastosowania tych algorytmów w już istniejących kartach sieci WLAN standardu IEEE 802.11.
ALGORYTMY WYBORU TRYBU PRACY STACJI ABONENCKICH W SIECIACH WLAN 47
4.1. Algorytmy heurystyczne
Algorytmy heurystyczne w większości przypadków prowadzą do prostej, opartej na metodach statystycznych, estymacji parametrów kanału radiowego. Do głównych wad tych algorytmów należy zbyt wolna zbieżność procesu estymacji oraz ich podatność na wpływ czynników zakłócających, takich jak kolizje ramek czy zakłócenia interferencyjne. Natomiast niekwestionowaną zaletą algorytmów heurystycznych jest ich prostota, która sprawia, że to to właśnie one są obecnie najczęściej stosowane w praktyce.