Оценка реализуемых характеристик функционирования Ad hoc-сетей городского масштаба стандарта IEEE802. 11ac Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Оценка реализуемых характеристик функционирования AdHoc-сетей городского масштаба стандарта IEEE802.11 ас

Беспроводные локальные сети абонентского доступа WLAN (Wireless Local Access Net) в настоящее время находят очень широкое распространение в телекоммуникациях, т.к. обладают по сравнению с проводными (кабельными и оптико-волоконными) сетями немалыми преимуществами, главным из которых являются следующие: — простота развертывания сетевой структуры; — гибкость архитектуры сети, когда обеспечивается возможность динамического изменения топологии сети при подключении, передвижении и отключении мобильных пользователей без значительных потерь времени; — быстрота проектирования и реализации, что критично при жестких требованиях к времени построения сети. Беспроводные самоорганизующиеся Ad Hoc-сети являются децентрализованными беспроводными сетями, не имеющими постоянной структуры. Клиентские устройства, как правило, соединяются на лету, образуя собой сеть. Каждый узел сети пытается переслать данные предназначенные другим узлам. При этом определение того, какому узлу пересылать данные, производится динамически, на основании связанности сети. Специфика сетей Ad Hoc состоит в том, что их топология постоянно изменяется из-за перемещения узлов сети в пространстве или изменения условий распространения радиосигнала.

Кондрашин А.С.,

магистрант МТУСИ, kondrashin91 @mail.ru

MIMO

Тх

tf

7р

ti

Rx

Рис. 2. MIMO

Краткий обзор стандарта 1ЕЕЕ 802.Нас

ШЕЕ 802.11 ас - это новый беспроводный стандарт для компьютерных сетей, который в настоящее время активно развивается и способен обеспечить высокую пропускную способность. Такие беспроводные локальные сети рассчитаны на работу в 5 ГГц диапазоне [ 1 ]

I

'Л

к

т.

3) Два варианта реализации MU-MIMO:

- за счёт технологии SDMA;

- Downlink MIMO;

4) Модуляция (рис. 3):

- добавлены дополнительные способы модуляции (256-QAM) со скоростью кодирования 3/4 и 5/6 (против 64-QAM при максимальной скорости кодирования 5/6 в стандарте 802.1 In).

Рис. 1. Зона охвата передатчика стандарта 802.11ас

Теоретически, данный стандарт позволит осуществить пропускную способность беспроводных локальных сетей по крайней мере, до 1 Гбит/с. Упомянутая скорость будет достигнута за счёт преобразования и улучшения характеристик предыдущего стандарта 802.11 п. Соответственно нововведения определятся следующими характеристиками:

1) Расширение полосы пропускания рабочего канала:

— полосы пропускания канала 160 МГц и 80 МГц (против максимума 40 МГц в 802.11 п);

2) Больше пространственно разнесённых потоков информации М1МО (рис. 2):

- поддержка до 8 таких потоков (против 4 в 802.11 п);

Рис. 3.1С?-диаграмма сигнала с 256-(}АМ

Классификация беспроводных сетей

Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий.

По дальности действия:

- беспроводные персональные сети;

- беспроводные локальные сети;

- беспроводные сети масштаба города;

- беспроводные глобальные сети.

По характеру использования:

- стационарные (привязанные к определенной точке пространства);

- мобильные (допускается свободное перемещение только в пределах радиуса действия одной точки доступа или одного сегмента радиосети);

- мобильные странствующие (допускается автоматическое переключение от одной точки доступа к другой).

Краткий обзор АсШос-сегеи

Это одно ранговые беспроводные сети передачи данных с переменной топологией и отсутствием четкой инфраструктуры, где каждый узел может выполнять функции маршрутизатора и принимать участие в ретрансляции пакетов данных. Подобные сети могут применяться во время военных действий, в структурах МЧС, в системах транспорта и различных силовых структурах. Пример структуры Ас! Нос-сети изображен на рис. 4.

® Узел сети

О Зона радиовидимости

узла

Установленное между узлами соединение

Рис. 4. Пример структуры Ad Нос-сети

Специфика сетей Ad-Hoc состоит в том, что их топология постоянно изменяется из-за перемещения узлов сети в пространстве или изменения условий распространения радиосигнала. Помимо этого, для Ad Нос-сетей, как и для любых беспроводных систем, характерны ограниченная полоса пропускания и зона радиовидимости. В результате протоколы и технические решения, используемые в классических проводных сетях передачи данных, например централизованная маршрутизация с иерархией заранее назначенных маршрутизаторов, в сетях Ad Нос оказываются неэффективными и не обеспечивают нужную производительность [2].

Формулирование научной проблемы при реализации Ad Нос-сетей на базе стандарта IEEE 802.Нас и путь её решения

Исходя из того, что будет проанализирована Ad Нос-сеть городского масштаба, то основной и наиболее важной проблемой будет перегруженность узлов, находящихся рядом с точкой доступа из-за большого количества абонентов. Очевидным решением тут может быть установка нескольких точек доступа в радиусе действия. В таком случае, определённую роль в распределении нагрузки могут сыграть методы маршрутизации.

Также построение больших самоорганизующихся сетей осложняется ещё и обеспечением минимальной задержки пакетов в узлах. Эту проблему можно решить выбором протоколов маршрутизации, работающих по критерию определения оп тимальности маршрута.

Сравнительный анализ Ad Нос-сетей (опционное сравнение с Afesft-сетями)

Mesh-cera или «ячеечные» сети является дальнейшим продвижением идеи Ad Нос-сетей. Mesh-сети подразумевает организацию сети из случайного числа узлов со случайными взаимосвязями, на технические средства беспроводных сетей, которые изначально не были приспособлены для создания Ad Hoc-com. Такими средствами могут выступать, например, точки доступа WiFi, терминалы и узлы WiMax и так далее. В mesh-сети возможно,

чтобы в организации новых узлов или взаимосвязей участвовал обслуживающий персонал (в Ad Нос-сети все происходит автоматически на уровне широковещательных терминалов). Однако основное свойство Ad Нос-сети

— самоорганизация — остается неизменной. Даже если новый узел тевЬ-сети смонтирован обслуживающим персоналом его вхождение в сеть происходит соответствии с принципами самоорганизации, а именно — взаимосвязи устанавливаются случайным образом с ближайшими в конкретный момент времени другими узлами теБЬ-сети и к ним обеспечивается маршрутизация сообщений.

6. Разработка моделей (топологий) для анализа

характеристик функционирования Ad Нос-сетей

Приступая к разработке сети, нужно определить оптимальную структуру, обеспечивающую наименьшие потери в эффективности работы сети, а также принять необходимое решение для повышения пропускной способности канала связи.

Для анализа предлагается использовать несколько моделей Ad Нос-сетей с различной топологией, среди которых будут рассмотрены следующие виды:

- сеть с линейной топологией (рис. 5);

- сеть с радиально-узловой топологией (рис. 6);

- сеть с однородной топологией (рис. 7).

Рис. 7. Сеть с однородной топологией

Чтобы определить структуру, обеспечивающую необходимую эффективность работы сети, нужно провести сравнения по нескольким критериям:

1. Обеспечение наименьшей задержки пакетов, при передаче сообщений в сети от ИС (источника сообщения) до ТД (точки доступа). Этот требование будет достигаться минимизацией числа прыжков в сети (т.е. определение пути прохождения сообщения, через наименьшее число узлов);

2. Распределение трафика таким образом, чтобы нагрузка на узлы, примыкающие к точке доступа, была распределена равномерно. В данном случае предполагается применение оптимального протокола маршрутизации;

3. Выбор необходимого числа точек доступа, обеспечивающих скорость передачи данных в сети. В данном случае зададимся скоростью, которая должна быть не менее 100 Мбит/с.

Численный сравнительный анализ основных

характеристик функционирования А(1 Нос-сетей

на базе стандарта 1ЕЕЕ 802.Нас

Учитывая, что должен быть выполнен анализ Лс/ Нос-сети городского масштаба, то среднее количество абонентов приходящихся на микрорайон большого города (рис. 8) будет составлять 12 тысячи человек.

Рис. 8. 4-й микрорайон Марьино

Такая цифра была получена из данных, предоставленных на сайте [3]. В этом районе располагается 19 микрорайонов [4]. Таким образом средняя численность одного микрорайона: (230,2 тыс. чел. района)/19(микрорайонов) = 12 (тыс. чел./на 1 микрорайон). Предположим, что в этом микрорайоне живут семьи, состоящие из 4 человек. В свою очередь в каждой семье есть 2 активных пользователя 1тегпеТ. Далее можно посчитать количество семей 12000 / 4 = 3000 (семей), и общее количество абонентов, приходящихся на эти семьи: 3000 * 2 = 6000 (тысяч абонентов). Также предполагается, что анализируемая сеть располагается на равнинной территории, и при этом не будет учитываться конкретная привязка сети к какому-то реальному рельефу.

Как уже отмечалось, выбор необходимого числа точек доступа, должен обеспечивать скорость передачи данных в сети для одного абонента не менее 100 Мбит/с. Поэтому, чтобы определить сколько всего ТД будет задействовано в анализируемой сети, нам надо выяснить какое количество человек сможет обслуживать одна ТД.

Пропускная способность распределяется между пользователями беспроводной сети, как и в проводных сетях. Максимальная скорость передачи точки доступа стандар-

та 802.11 ас составляет 1 Гбит/с. Расчет гарантированной скорости передачи абонентских сигналов в час наибольшей нагрузки (ЧНН) при известном числе абонентов в данной соте проводится в последовательности, приведенной ниже.

1. Рассчитывается результирующая абонентская нагрузка Атд в соте:

А,,

(1)

где N,,6 Тд - число абонентов ТД; А) - значение среднестатистической абонентской нагрузки от 1 абонента в ЧНН, которое выбирается в пределах А|=(0,05...0,1) Эрл. В данном случае задаёмся значением А(= 0,1 Эрл, т.е. с некоторым запасом на развитие сети. В ходе предварительных расчётов по формулам (1) —* (2) —► (3) было установлено, что для обеспечения минимальной гарантированной скорости передачи абонентских сигналов (100 Мбит/с) в соте, необходимо выбрать N„6 тд: N,6 тд = 70. В соответствии с формулой (1) получаем А1Д = 70 • 0,1 = 7 Эрл.

2. Рассчитывается число каналов трафика БС Ы„ тл с помощью модели Эрланга, имеющей общий вид:

її тд V [А то, Рб.т]

(2)

где р6л- допустимый процент блокировки (ПБл), примем его равным 5 %. Поскольку мы рассматриваем первую модель Эрланга, которая является моделью без очередей. В данном случае понимается, что вновь поступившие заявки блокируются и не оказывают влияния ни на характер поступающего потока, ни на его интенсивность. Это упрощающее предположение означает, что либо вероятность потерь достаточно мала - порядка нескольких процентов. Для практических расчетов модель Эрланга применяется в виде номограммы, показанной на рис. 9 для значений ра, = (1... 10) %.

гооо

500

гоо

700

ч

с* 50

о

UU 70

*

£ 10

Ж &

2

Г

•

і Is' - -

Ш у-" і

Чигло каналов трафика

Рис. 9. Зависимость допустимой нагрузки ТД от числа каналов трафика и процента блокировки

По номограмме Эрланга (рис. 6) при полученном значении Ахд и заданном допустимом ПБл находится требуемое число каналов трафика Мк[ 1д: М,„тд= 10.

3) Рассчитывается минимальная гарантированная скорость передачи абонентских сигналов в ЧНН по формуле [5]:

Воб ІІІІП В III

(3)

в которой Втл - скорость передачи ТД, равная 1000 Мбит/с (по техническим данным стандарта 802.1 lac).

Подставляя данные в (3), получаем Вас, min = 1000 / 10 = = 100 Мбит/с.

Учитывая, что абонентов в сети N„6 = 6 тысяч человек, а точка доступа может обслуживать с должной скоростью N„6 тд = 70 человек, то, можно определить требуемое число ТД по формуле:

N то [Nаб ;/ Nаб mi)] »

(4)

подставляя в которую данные, получаем Ыгл = [6000/70] = = [85,7] = 86.

Полученный расчёт соответствует для всех трёх типов, выбранных сетей.

Необходимо оценить общую задержку передачи пакета от отправителя до адресата. Для этого предположим, что на пути пакета находятся N-1 маршрутизаторов, нагрузка в сети такова, что очереди отсутствуют или пренебрежимо малы, время обработки каждого маршрутизатора и отправителя равно /Ш1„ а время распространения сигнала по линии равно /рпр. Все узловые задержки равны между собой, а их сумма дает общую задержку:

(5)

Значение длины заголовка IP - пакета также занимает 4 бита. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32

- битовых слов), но при добавлении некоторой служебной информации это значение может быть увеличено за счет дополнительных байтов в поле параметров. Наибольшая длина заголовка составляет 60 байт.

В компьютерных сетях термин MTU используется для определения максимального размера блока (в байтах), который может быть передан на канальном уровне сетевой модели OSI [8].

Примечание: значение MTU представлены как максимальный размер IP-пакета, который может быть передан без фрагментации - в том числе IP заголовки, но исключая заголовки более низких уровнях стека протоколов [9].

Таблица 1

Таблица значений MTU

Предположим, что сигнал передаётся в идеальных условиях без препятствий и на небольших расстояниях относительного связующего узла, поэтому временем распространения сигнала по линии связи /рИр можно пренебречь. В итоге мы получим:

Интернет IPv4 Path MTU По меньшей мере 68

Интернет IPv6 Path MTU По крайней мере, 1280

Ethernet v2 1500

Ethernet с ООО и SNAP . PPPoE 1492

Ethernet Jumbo Frames 1500-9000

WLAN (802.11) 7981

Token Ring (802.5) 4464

FDDI 4352

^общ Л|

(6)

Теперь остаётся решить вопрос о времени обработки одного пакета маршрутизатором.

На рис. 10 изображен формат кадра 802.11. Приведенная общая структура применяется для всех информационных и управляющих кадров, хотя не все поля используются во всех случаях [6].

0-2312

4 октеты

FC 1>/|| Адрес Алрсс Адрес |sc| Аїрсс Тело кадра CRC

FC — управление кадром

D/І — идентификатор длнтсльности/сосдинсния SC — управление очередностью

Рис. 10. Формат кадра MAC IEEE 802.11

1Р-пакет состоит из заголовка и поля данных [7]. Ниже перечислены поля заголовка (рис. 11):

4 бита

Номер

версии

4 біта

Длина за голов*

8 бит

Тип сервисе

16 бит

Идентификатор пакета

8 бит Время жиэж

8 бит

Протокол верхнего уровня

16 бит

Общая длина

З біта Флаги

13 бит

Смещение фрагмента

16 бит Контрольная сумма

32 бита IP- адрес источника

32 бита IP- адрес назначения

Параметры и выравнивание

Рис. 11. Структура заголовка 1Р-пакета

Из рис. 10 определили максимальную длину кадра для стандарта 802.11, она равняется 2346 байт (или 18768 бит). Также .иежду кадрами должна выдерживаться технологическая пауза в 9.6 мке [13]. С учётом табл. 2 максимальный размер IP-пакета, который может быть передан без фрагментации - в том числе IP заголовок, для стандарта 802.11 будет равен 7981 байт (или 63848 бит). Размер заголовка IP-пакета изменяется в пределах от 20 (или 160 бит) до 60 байт (зададимся стандартной длинной 20 байт для заголовка 1Р-пакета).

Минимальная скорость предоставления услуг 100 Мбит/с или 12,5 Мбайт/с. При номинальной пропускной способности 12.5 Мбайт/с время передачи одного кадра максимальной длины составляет: /«*).«,«• = 18768/12,5 = 1501,44 мкс. Период повторения кадров составляет: = 1501,44+

9,6 = 1511,04 мкс.

Время обработки заголовка IP-пакета: /от,. =

160/12,5 = 12,8 мкс. Время обработки одного 1Р-пакета максимальной длинны с учётом размера заголовка IP-пакета составит: rnmwKC = Л,ш = 63848/12,5 = 5107,84мкс.

Большое значение MTU приносит большую эффективность при передаче сообщений, потому что каждый пакет может переносить в себе больше данных пользователя. Но также большие пакеты могут занимать медленный канал в течение некоторого времени, что приводит к большим задержкам при обработке пакетов. Большие пакеты проблематичны, с точки зрения ошибочной передачи пакетов. При ошибочной передаче одного бита информации в пакете требуется, чтобы весь пакет был передан повторно. Повторные передачи больших пакетов обуславливают дополнительную временную задержку, при обработке одного пакета информации.

Расчёт общего времени задержки, в частности для трёх сетей с различными топологиями, будет осуществляться по формуле (6), но при этом зададимся максимальным количеством узлов, соответствующим для каждой топологии, через которые пройдёт пакет до выходной ТД (зелёная).

венно лидирует сеть с однородной топологией, обеспечивающая запас по задержке 58 мс. Но не будем забывать, что мы рассматриваем модель Эрланга первого типа

- без очередей.

Заключение

Обеспечение живучести системы связи является одной из важнейших задач их эффективного использования по назначению. Под живучестью системы связи подразумевается способность функционировать в условиях наличия мешающих воздействий искусственного или естественного происхождения, включая воздействия, которые непосредственно направлены на уничтожение соответствующих средств или линий связи.

Анализируемая сеть основана на сети массового обслуживания, и потому в ее функционировании всегда присутствует элемент неопределенности, порожденный случайным характером формирования продуктового потока. Дополнительную неопределенность вносит и функционирование входящих в информационную систему многих структурных элементов. Случайный отказ одного из них приводит к перераспределению потоков между каналами связи: поток из одного элемента (транзитного узла) пересылается в другой элемент, и, если канал уже работает на пределе пропускной способности, он блокируется для данного потока вследствие перегрузки. Серия нарушений передачи потоков приобретает лавинообразную форму, и вся информационная система оказывается заблокированной. Из-за воздействия нежелательных факторов часть сети непредсказуемым образом разбивается на неизвестное количество фрагментов, о параметрах которых можно высказывать только вероятностные соображения.

Необходимо предположить. Что информационная система является связным физическим детерминированным графом. В таком случае всегда существует путь между двумя произвольными вершинами этого графа. Известны критерии, позволяющие судить о связности графа. Но под воздействием нежелательных факторов неизвестной плотности и силы часть вершин и ребер графа потеряли свои функциональные способности (оказались полностью поражены) и граф распался на неизвестное число компонентов, о которых также нельзя создать определенного суждения. Проанализировав вышеизложенное, можно прийти к выводу, что проблема живучести есть проблема связности стохастического графа.

Таким образом, воспользовавшись данной концепцией, в дальнейшем можно будет проанализировать живучесть сети с учётом надёжности и устойчивости анализируемых топологий, на основании эффективной пропускной способности и средней временной задержки доставки сообщений.

Литература

1. http://en.wikipedia.org/wiki/lEEE_802.! lac.

2. http://www. tusur.ru/filearchi ve/reports-magazine/2010-2-1 /288.pdf

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/MapbHno_(paiioH_MocKBbi).

4. 1Шр://моёмарьино.рф/districts.

5. Сорокин A.C. Сотовые системы радиосвязи. Курсовое и дипломное проектирование/Учебное пособие. - М.: МТУСИ, 2006.

6. http://www.intoit.ni/departrnent/network/wifi/2/wifi_2.html#image.2.6.

7. http://latysheva2007.narod.ru/theme 16.html.

8. http://ru.w'ikipedia.org/wiki/MTU.

9. http://en.wikipedia.org/wiki/Maximum_transmission_unit.

10.1шр:/Л^и.гиЛу1к1/Динамическаямаршрутизаци.

11. http://adminblog.spb.ru/?p=747.