Научная статья на тему 'Фрагментация пакетов в радиоканалах передачи данных'

Фрагментация пакетов в радиоканалах передачи данных Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
107
20
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
FRAGMENTATION / RADIO CHANNEL / ARQ / SAW / ФРАГМЕНТАЦіЯ / РАДіОКАНАЛ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Головин В.А.

В статье предложена аналитическая модель фрагментации пакетов в радиоканале передачи данных. Так как максимальная длина пакета для канального и физического уровней определена из условий эффективной работы сети в целом, то длина пакета при малых значения битовой ошибки в канале может быть значительно меньше оптимальной и не может быть изменена, а при больших значения битовой ошибки предлагается выбирать длину фрагментов делением максимальной длины на равные части,при условии улучшения эффективной скорости передачи. Разработана аналитическая модель позволяет для выбранных параметров цикла передачи данных протокола ARQ с Stay And Wait, рассчитать значение вероятности битовых ошибок при которых необходимо изменить параметры фрагментации для получения лучшей эффективной скорости передачи.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Fragmentation of packets in the radio data channels

Introduction. Effective data transmission speed in the radio data channels network is determined by the parameters of the exchange report on the data link layer and physical levels and the wave emission channel characteristics. For guaranteed delivery of packets the technology with the supervision of packages receiving validity by consumer is used. Errors availabilities in packets demand retransmission, which leads to a decrease the effective data transmission speed. Fragmentation of packets reduces the probability of an error in the packet, the delay of the fragment retransmission, which improves the effective transmission speed. Problem statement. The maximum packet length for data link layer and physical levels is determined according to the conditions of the effective network functioning in general, consequently the packet length with low values of bit error in the channel can be significantly less than optimal, and with large values of bit error the possibility to select the division fragments of the maximum length into equal parts exists, under the terms of improving effective transmission speed. The aim of this work is to build analytical model for points determination on the scale of probability of bit errors, where the length of packet fragments is necessary to be changed in order to better efficiency of data transmission speed. Theoretical results. Based on the analysis of data transmission report with a stoppage and expectations the analytical model of effective data transmission speed in the radio data channel with bit errors and random distribution is received. There is equation to calculate the bit errors probability at the points of the fragments length changing. The obtained analytical solutions of the equations allow calculating the value of the bit errors probability for any parameters of data transmission cycle. Also, analytical expressions for calculating the optimal fragments length with a given probability of bit errors and probability of bit errors for a given fragment length are obtained. Conclusion. Proposed analytical model and analytical calculations can be used on data link layer and physical levels of the channels with packet data transmission according to the ARQ SAW algorithm to select parameters of fragmentation depending on the bit errors in the channel.

Текст научной работы на тему «Фрагментация пакетов в радиоканалах передачи данных»

Visnyk NTUU KP1 Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia^ 2016, Iss. 67, pp. 30—33

УДК 621.39

Фрагментащя пакетов в радюканалах передач!

даних

Головгн В. А.

Нацюнальний техшчний ушверситет Украши "Кшвський пол1техшчний шститут"

E-mail: golva@meta.ua

В стат1 запропонована анал1тична модель фрагментаци иакетав в радюканал1 передач! даних. Так як максимальна довжина пакету для канального та ф1зичного р1вшв визначена з умов ефективно1 роботи мереж! в щлому, то довжина пакету при малих значения 6iT0B0'i иохибки в канал1 може бути значно меншою вщ оптимальной, а при великих значения 6iT0B0'i иохибки иропонуеться вибирати довжину фрагментав дшенням максимально'1 довжини на piBHi частини, за умови полшшення ефектившл швидкост1 передач!. Розроблена анал1тична модель дозволяе, для впбранпх параметр1в циклу передач! даних протоколу ARQ з Stay And Wait, розрахувати значения ймов1рност1 б1тових иомилок при яких иеобхщно змшити параметри фрагментаци для отримання кращо1 ефективно1 швидкост1 передач!.

Ключовъ слова: фрагментащя; радюканал; ARQ; SAW

Вступ

1 Постановка задач1

Адаптивш алгоритми керування на р1зних р1внях арх1тектури забезпечують яшсну роботу радюмереж1 i3 пакетною передачею даних.

Ефектнвна швидшсть передач! даних в радюканал! мереж! визначаеться параметрами протоколу обмшу на канальному та ф1зичних р1внях i характеристиками каналу поширення хвиль. Для гаранто-вано1 доставки пакет1в використовують технолопю з контролем достов1рност1 отримання пакет1в спожива-чем (ARQ, Automatic Repeat-reQuest) [1]. Ймов1ршсть помилки в пакет1 залежить вщ ймов1рност1 б1тово1 помилки (BER, Bit Error Rate) та довжини пакету. Наявшсть помилок в пакетах вимагае повторно1 передач!, що призводить до зменшення ефективно1 швид-кост1 передач! даних. Фрагментащя пакет1в зменшуе ймов1ршсть помилки в пакету затримку повторно1 передач! фрагмента, що полшшуе ефективну швидшсть передач!. Критер1ем вибору розм1ру фрагмент1в пакету е ймов1ршсть б1тово1 помилки в канал1 [1-4].

Максимальна довжина пакету в мережах обира-еться за критер1ем ефективност1 роботи мереж1 в щлому. При фжсованш довжиш пакету використання методики вибору оптимально! довжини фрагменпв [2-4] ускладнюе алгоритм та призводить до появи коротких фрагмент1в, шсля вибору фрагмент1в опти-мальних довжин, i вщповщно до зменшення ефе-ктивност1. Для усунення такого ефекту та спрощення алгоритму иропонуеться виконувати фрагментащю методом дшення пакету на piBHi частини в залежност1 вщ ймов1рност1 6iTOBOi помилки в каналi.

Метою роботи е побудова анал1тично1 модел1 для визначення точок, на шкал1 ймов1рност1 б1тових помилок, в яких необхщно змшювати довжину фрагменпв пакету для отримання кращо1 ефективно1 швидкост1 передач! даних.

2 Результати дослщжень

Розглянемо ефектившсть протоколу ARQ i3 зу-пинкою та очжуванням (SAW - Stay And Wait), який використовуеться в IEEE 802.11 [5,6].

Структура протокольного циклу [1] пакетно1 передач! даних ARQ SAW показана на рис. 1.

Рис. 1. Цикл передач! даних з пщтвердженням Загальна тривалють циклу передач!

to = 2 ta + 2tp + tf + tack = 2(ta + tp) + ^ + ^ (1)

де # — швидюсть передач! в канал!, nf — число 6iT корисно1 шформацп, па — число 6iT пакету вщпо-вщ1 (АСК, Acknowledge), п0 — число 6iT службово!

Фрагмеитащя иакетш в радкжаиалах передач! даиих

31

шформащ!, в яш входять заголовки, контрольна сума пакету, ta — тривалшть поширення , визначаеться ввдстанню м1ж станщями, tf — тривалшть передач! пакету, tp — тривалшть обробки пакету в ириймач1, tas к — триватсть передач! ввдповвд (квиташщ).

При втрата пакету вщиоввд повторна передача пакету даних виконуеться теля закшчення часу тайм-ауту tt.

Ефективна швидшсть передач! кориснсм шформа-ц1Т визначаеться

R,

■ef

nf — по

То

(2)

Со =

If — no t о

R

1 _ ПО

nf

1 + ^ + nf

2( t а +tp) R nf

t tPf

1 — Pf: to, TO

E[tt] =

1 - Pf

С

nf —no

E[t t]

R

nf

(1 — Pf)

1 + ^ + nf

2( t a + tp) R nf

Шдставимо (1) в (2) та отримаемо ефектившсть С0 швндкоста передач! даних в Kanani без шум1в та завад

(3)

При биових помилках з випадковим розподшом в Kanani ймов1ршсть помилки в пакета довжиною nf визначаеться { } Pf = 1 — Р = 1 — (1 — p)nf, де р -flMOBipiliCTb 6iT0B01 помилки.

Середшй час циклу передач! пакетав з iraoBipnicTio Pf визначаеться [1] E[tt] = t0 + — 1)М1 —

Pf )P}—1 = t0 + 1— f, де tt - час тайм-ауту. Якщо внбратп tt

Рнс. 2. Залежшсть ефективноста передач! ввд ймов1р-носта биово! помилки при р1зних довжинах фрагменте пакету

При вибор1 фрагментащ! пакету шляхом дшеиня максимально! довжини пакету на 2, 3,4 .. .к, максимальна ефектившсть швндкоста передач! даиих буде досягатись, якщо рухатись по обввдшй графпив зл1ва направо. До точки А фрагментацпо не впконуемо. Передача даних виконуеться на максималыий довжиш пакету, яка вибраиа в мережь В1д точки А до В пакет дшимо на два фрагмента, ввд точки В до С пакет дшимо на три фрагмента \ т. д.

Для визначення р в точках, де необхщно викону-

...

складемо р1вняння

(1 — (1 — (1 — p)nf))-

1 _ По

— nf

1 + ^ + nf

2( tg+ tp) R

nf no

— (1 — (1 — (1 — p))-

1

nf/к

(4)

1 +

if/к

+

2( ta+ tp) R n f/к

0 (6)

Поставляемо (5) в (3) та отримуемо ефектившсть С передач! протоколу з зупинками та очшуванням (ARQ SAW )

(1 — Pf )Со

де nf — довжина фрагменту до точки змши, nf /к — довжина фрагменту теля точки змши.

Наведемо анаттичш piinciura piBiramra (6) (точки D, Е на рис. не показан!): точка А

РА = 1 — {(na'n-f — 2паПо — 2п f По + n2f + 2Rnf ta — — 4Дпо^ + 2Rnf tp — 4Rn0tp)/(2nanf — 2папо — n-0nf+

+nf + 4Rnf ta — 4Rn0ta + 4Rnf tp — 4Rn0tp))'

2

, Kf

(5) точка В

В мережах максимальна довжина пакету задана, так в IEEE 802.11 вадповадае 2312 байтам fo], i впбпраеться з умов ефективно! роботп Bcie'i мережь

Побудуемо графш ефективноста протоколу (5) в залежноста вщ р для pi3iinx довжин фрагментав пакету отриманих шляхом дшення максимально! довжини на 2, 3,4 ... к для заданих параметр1в R = 1, 5 • 106 б1т/сек, nf = 2312 байт, по = 8 байт, na = 8 байт, ta = 5 • 10—6, tp = 10 • 10—6 циклу передач! даних (рис. точка С 1).

Рв = 1 — ((6667nanf — 10000nan0 — 10000nf по+ + 6667п) + 13334Rnf ta — 20000Rn0ta + 13334Rnf tp — — 20000Rn0tp)/(10000nanf — 10000nan0 — 6667n0nf+ + 6667nf + 20000Дп f ta — 20000Rn0ta+

10000

+20000Rnftp — 20000Rn0tp)) 3333rlf

n

t

о

1

n

f

32

Головш В. Л.

Рс = 1 - ((3nanf - 4папо - 4nf по + 3nj + 6Rnfta-

- 8Rno ta + 6Rnf tp - 8Rnotp) / (4nanf - 4na по - 3nf no+

4

+Щ + 8Rnf ta - 8Rn0ta + 8Rnf tp - 8Rn0tp)) nf точка D

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

PD = 1 - ((4«a«f - 5nano - 5nf По + 4n2 + 8Rnfta-- 10Rnota + 8Rnftp - 10Rnotp)/(5nanf - 5nano-- 4nf n0 + 4n2f + 10Rnf ta - 10Rn0ta+

5

+ 10Rnftp - 10Rn0tp))nf

точка E

Pe = 1 - ((8333nanf - 10000nan0 - 10000nfn0+ + 8333nf + 16666Rnfta - 20000Rn0ta + 16666Rnftp-

- 20000Rn0tp)/(10000nanf - 10000nan0 - 8333n0nf +

+ 8333«_2 + 20000Дпf ta - 20000Rn0ta+

10000

+20000Rnftp - 20000Rn0tp)) 1667nJ

В табл. 5 приведет результата втирювання зна-чень р по графшу та розрахунку по формулах.

Табл. 5

Точки на гра-ф!ку Вихпрювання на граф1ку р Розрахунок р

А 1, 007 • 10-6 1, 0078 • 10-6

В 3, 016 • 10-6 3,0147•10-6

С 6, 018 • 10-6 6,0186•10-6

Якщо вибирати довжииу фрагменте дшенням довжипи максимального пакету на 2, 4, 8 ..., то для визначення точок переходу на шшу довжнну фра-гмнтв достатньо одного ршення р1вняння в точщ А.

Для оцшки вщхилення вибрансм довжини фра-гмнтв вщ оптимально! при заданш ймов1рност р визначимо з (5) оптимальиу довжииу пакету

порг = п0/'2 - па/2 - Ша - тр - ((4й^2 +

+ 4R2t2р + 4Rnаtа + 4 ЙПа Ьр + 4Rnotа + 4Rnotр + 2ПаПо+

+ п2а + «2) ^(1 - Р)2 + (-8Rtа - 8Rtр - 4па - 4поУ • log(1 - р))1 /2log(1 - р) (7)

Оптимальна довжина пакету для внбраннх па-раметр1в циклу передач! дапих при значениях р = 1,0078 • 10-6 в точщ А. Довжина пакету п0^ справа ввд точки А меише. а з«шва бшына на 30 % вщ вибраних довжин фрагменте пг = = 2312 та щ = /2 = 1156. В окол1 точок змшп розьпру фра-гмнтв ефективна швидшсть передач! даиих меише оптимально! через неввдповвдшсть розм1р1в довжини фрагменте оптималыий довжиш. але досягас 11 величини в централыий частиш штервалу.

Визначимо з ( ) ймов1ршсть Рт 6iT0B0i помилки для задано! довжини фрагменту

Рт = 1 - 1/ехр ((na + по + 2Rta + 2Rtp)/(Nmna-- Nmno - nano + N'i + 2NmRta + 2NmRtp-

-2Rnota - 2Rnotp)) (8)

де Nm — довжина фрагменту.

Розрахуемо значения р. для яких довжини фрагменте Пг Пк будуть оптимальними Ртг = 5.0448 • 10-7, Pmlг = 2.032 • 10-6. Таким чином. 3m1iiii кшько-CTi фрагменте в точщ А можуть бути BiiKOiiaiii при значенш р = 1.0078 • 10-6 або в середиш inTepsany р вщ 2.032 • 10-^о 5.044 • 10-7.

Наведеи1 ана.штичш pimenim piBiramra (6) дозво-ляють виконати розрахунок iraoBipnocTi биових по-милок в точках A,B,C,E,D при заданих параметрах циклу передач! даиих i вибрати вадповадний коеф1щ-ент дшоння пакету на фрагменти.

Висновки

Запроионовано алгоритм фрагментащ! для кана-„шв передач! даиих з фшсованою максимальною дов-жиною пакет1в шляхом дшоння пакету па piBiii ча-стини та отримаш ана.штичш вирази для обчислеиия значень ймов1рностей 6iTOBOi помилки точок. в яких необхщно викоиувати змшу довжипи фрагмонпв для будь-яких параметр1в циклу передач! даних.

Перелж посилань

1. Communication networks fundamental concepts and key architectures [Електрошшй документ]. Ре-

жим доступу: https://drive.google.eom/file/d/ OBwqx ikx skqQ eUUtHbU45UHlо LU0

'2. Воитер Л.11. Комилексиий аиалЬ ефективио!' швидко-c'l'i передач! в адаитишшх иакетиих рад!омережах / Л.11. Войтер // HayKoiii isic'ri НТУУ "Kill". 2013. № 6. с. 7-12.

3. Yazid М. Analytical analysis of applying packet fragmentation mechanism on IEEE 802.11b DCF network in non ideal channel with infinite load conditions / M. Yazid. L. Bouallouche-Medjkoune. D. Aissani. L. Ziane-Khodja // Journal Wireless Networks. 2014. Vol. 20. Iss. 5. pp. 917-934.

4. Minho K. Joint rate and fragment size adaptation in IEEE 802.11П wireless LANs / K. Minho . C. Chong-Ho ; 2011 IEEE Consumer Communications and Networking Conference (CCNC). Las Vegas. 9-12 Jan. 2011. pp. 942 847.

о. Шиллер 11. Мобильные коммуникации / Иогаи Шиллер; иод ред. Л.В. Назареико. М. : Изд-во "Вильяме". 2002. 384 с.

6. Рошаи 11. Основы построения бесироводиых локальных сетей стандарта 802.11 / 11. Рошаи. Дж. Лиэри ; иер с аигл. B.C. Гусева. М. : 11зд-во "Вильяме". 2004. 304 с.

Fragmentation of packets in the radio data channels

33

References

[1] Communication networks fundamental concepts and key architectures. Available at: https://drive.google.com/ file/d/0BwqxikxskqQeUUtHbU45\UHloLU0

[2] Voiter Л.Р. ("2013) Comprehensive Analysis of the Elective Rate in Adaptive Packet Radio Networks. Naukovi visit NTUU "КРГ\ No 6, pp. 7-12.

[3] Yazid M., Bouallouche-Medjkoune L., Aissani D. and Ziane-Khodja L. (2014) Analytical analysis of applying packet fragmentation mechanism on IEEE 802.11b DCF network in non ideal channel with inlinite load conditions. .Journal Wireless Networks, Vol. 20, Iss. 5, pp. 917-934. DOl: 10.1007/sl 1276-013-0653-2

[4] Minho K. and Chong-Ho C. (2011) Joint rate and fragment size adaptation in IEEE 802.lln wireless LANs. Consumer Communications and Networking Conference (CCNC), 2011 IEEE, pp. 942-847. DOl: 10.1109/CCNC.2011.5766646

[5] Schiller .1. H. (2003) Mobile communications. Pearson Education.

[6] Roshan P. and Leary .1. (2003) Wireless Local-Area Network Fundamentals. Cisco Press.

Фрагментация пакетов в радиоканалах передачи данных

Головин В. А.

В статье предложена аналитическая модель фрагментации пакетов в радиоканале передачи данных. Так как максимальная длила пакета для канального и физического уровней определена из условий эффективной работы сети в целом, то длина пакета при малых значения битовой ошибки в канале может быть значительно меньше оптимальной и не может быть изменена, а при больших значения битовой ошибки предлагается выбирать длину фрагментов делением максимальной длины па равные части,при условии улучшения эффективной скорости передачи. Разработана аналитическая модель позволяет для выбранных параметров цикла передачи даппых протокола ARQ с Stay And Wait, рассчитать значение вероятности битовых ошибок при которых необходимо изменить параметры фрагментации для получения лучшей эффективной скорости передачи.

Ключевые слова: фрагмептац!я: радюкапал: ARQ: SAW

Fragmentation of packets in the radio data channels

Golovin V. A.

Introduction. Effective data transmission speed in the radio data channels network is determined by the parameters of the exchange report on the data link layer and physical levels and the wave emission channel characteristics. For guaranteed delivery of packets the technology with the supervision of packages receiving validity by consumer is used. Errors availabilities in packets demand retransmission, which leads to a decrease the effective data transmission speed. Fragmentation of packets reduces the probability of an error in the packet., the delay of the fragment retransmission, which improves the effective transmission speed. Problem statement. The maximum packet length for data link layer and physical levels is determined according to the conditions of the effective network functioning in general, consequently the packet length with low values of bit error in the channel can be significantly less than optimal, and with large values of bit error the possibility to select the division fragments of the maximum length into equal parts exists, under the terms of improving effective transmission speed. The aim of this work is to build analytical model for points determination on the scale of probability of bit errors, where the length of packet fragments is necessary to be changed in order to better efficiency of data transmission speed. Theoretical results. Based on the analysis of data transmission report with a stoppage and expectations the analytical model of effective data transmission speed in the radio data channel with bit errors and random distribution is received. There is equation to calculate the bit errors probability at the points of the fragments length changing. The obtained analytical solutions of the equations allow calculating the value of the bit errors probability for any parameters of data transmission cycle. Also, analytical expressions for calculating the optimal fragments length with a given probability of bit errors and probability of bit errors for a given fragment length are obtained. Conclusion. Proposed analytical model and analytical calculations can be used on data link layer and physical levels of the channels with packet data transmission according to the ARQ SAW algorithm to select parameters of fragmentation depending on the bit errors in the channel.

Key words: fragmentation: radio channel: ARQ: SAW

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.