Интенсивное развитие беспроводных сетей передачи данных вызвано потребностью в организации оперативного обмена данными, и в обеспечении качественной связью с подвижными и удаленными абонентами. Отсутствие проводных подключений позволяет пользователям сети более рационально использовать пространство, позволяет быть мобильными, не теряя при этом возможности доступа к необходимым для них сетевым услугам и данным на достаточно высоких скоростях.
Возникает задача эффективного коллективного пользования ресурсами радиоканала. Основные сложности при ее решении связаны с ограниченностью радиоспектра, с воздействием радиопомех и самой организацией множественного доступа (МД).
Не так давно был опубликован стандарт широкополосного мобильного беспроводного доступа IEEE 802.16e [8], который вместе с предыдущим стандартом IEEE 802.16-2004 [7] (коммерческое название - WiMAX) позволяет реализовывать единые беспроводные сети для передачи различных типов информации (потоки голоса и данных с временным разделением, соединения по протоколу IP, пакетная передача речи через IP (VoIP) и т.д.) с заданным качеством обслуживания (QoS) каждого сервиса. Такие сети в ближайшем будущем станут прекрасной альтернативой существующим беспроводным и сотовым сетям. Разработка адекватных методов анализа и оптимизации работы протокола IEEE 802.16 становится актуальной задачей, в связи с необходимостью повышать эффективность и производительность этого перспективного протокола для беспроводного доступа.
Такие задачи анализа вероятностно-временных характеристик (ВВХ) протоколов с фиксированными форматами кадров класса WiMAX не аналитичны в реалистической постановке, т.е. имеют аналитические решения лишь при сильных упрощающих допущениях.
Наиболее распространенным методом расчета ВВХ беспроводный систем является имитационное моделирование [3;4], а также аналитические методы, которые носят обычно вероятностный характер и строятся на основе понятий аппарата теории телетрафика, вероятностей и Марковских процессов [5;6].
Для решения описанных задач нами был развит численно-аналитический метод баланса интенсивностей нагрузок [1], который позволяет учесть влияние ошибок, времени распространения, величины затрат на управление и других факторов на показатели качества и производительности протоколов.
Главная идея метода заключается в сведении модели единой многомерной очереди к эквивалентной сумме линейно независимых (парциальных) очередей с помощью эквивалентных законов распределения времени обслуживания в парциальных очередях. Такое сведение единой многомерной очереди к сумме эквивалентных парциальных очередей, или нахождение эквивалентных распределений, выполняется с помощью предложенного метода баланса интенсивностей нагрузок[1]. Далее определяются функционалы для каждой парциальной очереди и находятся векторы характеристик ВВХ - QoS для каждой парциальной очереди.
MAC-уровень стандарта IEEE802.16
На MAC-уровне протокола WiMAX реализуются функции, связанные с формированием структур данных, передаваемых между базовой (БС) и абонентскими станциями (АС), а также управлением множественным доступом в беспроводную среду. Механизмы доступа MAC-уровня должны также решать задачи обеспечения заданного качества обслуживания QoS самых разных приложений, предоставляемых верхними уровнями.
На основном подуровне MAC формируются пакеты данных (MAC PDU – MAC Protocol Data Unit), структура которых представлена на рис. 1.
Рис.1. Пакет данных MAC-уровня стандарта IEEE 802.16
Заголовок PDU состоит из 6 байт и может быть двух видов – общий и заголовок запроса на выделение полосы (Bandwidth Request - BR). Если пакет содержит поле данных, то используется общий заголовок, содержащий идентификатор соединения (CID), тип и контрольную сумму заголовка, а также информацию о поле данных (например, длина пакета).
Передача данных на физическом уровне осуществляется посредством непрерывной последовательности кадров фиксированной длины. Каждый кадр состоит из двух субкадров – субкадр нисходящего (DL – Downlink – от БС к АС) и восходящего (UL – Uplink – от АС к БС) каналов. Стандартом предусматривается как частотное (FDD – frequency division duplex), так и временное (TDD – time division duplex) разделение трафиков восходящего и нисходящего каналов. Формат суперкадра при временном дуплексировании (TDD) представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Формат суперкадра при временном дуплексировании TDD
Нисходящий субкадр начинается с преамбулы (синхронизирующей последовательности), за которой передаются широковещательные сообщения управления, после которых следуют пакеты физического уровня, содержащие данные для различных АС и служебные сообщения. Пакеты в нисходящем субкадре транслируются без интервалов, поэтому для того чтобы абоненты могли отличить один пакет от другого, в поле управляющих сообщений передаются карты нисходящего (DL-MAP) и восходящего (UL-MAP) каналов.
Не менее чем раз в 10 секунд в БС передает список профилей пакетов (список параметров пакетов, включающий вид модуляции, схему кодирования, значение отношения сигнал/шум) в виде специальных управляющих сообщений – дескрипторов нисходящего и восходящего каналов (DCD/UCD).
В восходящем субкадре для всех передающих абонентов БС резервирует временные интервалы (тайм-слоты), информация о распределении которых закладывается в карте восходящего канала UL-MAP.
Главный принцип предоставления доступа к ресурсам среды – это выделение канала по требованию (DAMA – Demand Assigned Multiple Access). Стандартом предусмотрено два вида доступа – свободный и контролируемый. В первом случае станции на конкурентной основе в специально выделенном интервале передают свои запросы ресурсов, соответственно, возможны коллизии, вызванные одновременной передачей запросов несколькими АС. Механизм борьбы с коллизиями в этом случае аналогичен механизму backoff в стандарте IEEE 802.11.
В рамках данной статьи мы более подробно рассматриваем систему WiMAX с контролируемым доступом, при котором БС опрашивает (polling) абонентские станции, определяя их потребности в ресурсах среды передачи данных.
Стандарт IEEE 802.16 предусматривает пять режимов организации работы сети – WirelessMAN-SC, WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM, WirelessMAN-OFDMA и WirelessHUMAN. WirelessMAN-SC предназначен для работы в диапазоне 10-66 ГГц и ориентирован на магистральные сети, функционирующие в режиме прямой видимости. Остальные режимы разработаны для диапазонов менее 11 ГГц. WirelessMAN-SCa – «низкочастотная» версия WirelessMAN-SC (с расширенным набором дополнительных механизмов). WirelessMAN-OFDM и WirelessMAN-OFDMA – новые методы, в основе которых лежит применение OFDM модуляции. WirelessHUMAN – режим, адаптированный для безлицензионного в США диапазона 5-6 ГГц, в основе которого те же методы, что используются в режимах WirelessMAN-OFDM и WirelessMAN-OFDMA.
Расчетная модель протокола WiMAX
В данной статье приводятся характеристики времени задержки системы WiMAX в восходящем канале, полученные для режима WirelessMAN-SCa с каналом 25 МГц и скоростью физического потока данных 40 Мбит/с (модуляция QPSK). Рассматривается система с топологией «точка-многоточка» (БС – абонентские станции). Соотношение между нисходящим и восходящим субкадрами в кадре принималось равным 1:1 (причем при определении пропускной способности восходящего канала не учитывался).
Рис. 3. Пространственно временная диаграмма стандарта IEEE 802.16
На рисунке 3 в виде пространственно-временной диаграммы представлена модель протокола WiMAX, использованная для расчета характеристик задержки пакетов данных. Время распространения полагается меньшим, чем длительность одного кадра. У активной абонентской станции (не впервые регистрирующейся в сети) появляется пакет данных для передачи. Она сообщает об этом БС запросом полосы пропускания в выделенном для нее интервале в восходящем субкадре. Размер кадра в стандарте IEEE 802.16 фиксирован и его длительность может составлять 0,5; 1 и 2 мс (в режиме WirelessMAN-SCa). При большой нагрузке на сеть, созданной другими абонентами, может возникнуть ситуация, когда БС не выделит абоненту интервал для передачи данных в ближайшем кадре (ситуация отображена на рис.3). В этом случае АС отправляет повторный запрос, в ответ на который БС сообщает ей (в сообщении UL-MAP), с какого момента она может передавать свой пакет.
С точки зрения анализа системы WiMAX, наиболее важными характеристиками производительности являются характеристики времени доставки абонентских данных, так как именно этот параметр отображает эффективность работы сети. В данной статье представлены зависимости времени доставки пакетов, построенные от интенсивности входной нагрузки, при изменении числа пакетов абонентских данных в восходящем субкадре J (при небольшом времени распространения, меньшим, чем длительность кадра), а также при изменении величины затрат на передачу одного запроса полосы пропускания, которая по стандарту составляет 6 байт (Bandwidth Request).
Подробное математическое описание постановки и решения задачи анализа ВВХ численно-аналитическим методом баланса интенсивностей нагрузок можно найти в [1;9].
Для расчета характеристик размер пакета абонентских данных полагался равным 1024 битам, а число активных абонентов задавалось равным 128. Так как интерес представляло, прежде всего, влияние размера кадра (изменение числа информационных пакетов от абонентов J и изменение длительности запроса полосы пропускания BR) на характеристики задержки при изменении входной нагрузки, то для простоты при расчетах не учитывалось влияние ошибок. Шумы в канале, приводящие к ошибкам и, соответственно, к повторным передачам пакетов, привели бы к сильной деградации характеристик времени доставки, особенно при увеличении времени распространения, но в рамках данной статьи эта проблема не рассматривается.
Численный анализ
На рис.4 представлены характеристики времени задержки пакетов, передаваемых от абонентов, построенные в зависимости от интенсивности входной нагрузки (нормированной) при изменении количества этих пакетов J. Очевидно, что при увеличении числа информационных тактов, время начальной задержки возрастает (за счет увеличения длительности суперкадра WiMAX). Возрастает и пропускная способность, за счет изменения соотношения количества служебных и информационных тактов. В данном случае полагается, что помех в канале нет, и пропускная способность достигается за счет увеличения вероятности переполнения кадра при увеличении входной нагрузки и нехватки слотов для передачи всех данных, имеющихся у абонентов.
Рис. 4. Зависимость времени задержки пакетов в восходящем канале от интенсивности входной нагрузки при изменении числа пакетов данных J
Анализируя характеристики, приведенные на рис.4, несложно заметить, что увеличение интенсивности входной нагрузки требует динамической адаптации формата кадра, увеличения числа информационных тактов. Пунктирной огибающей линией на рисунке отображена характеристика именно такого динамически оптимизирующегося под нагрузку кадра. Предусмотренные стандартом IEEE 802.16 три формата кадра (0,5; 1; 2 мкс), очевидно, не будут оптимальными во всем диапазоне нагрузок, а это означает, что система WiMAX работает недостаточно эффективно, использует не все свои ресурсы из-за того, что на MAC-уровне не предусмотрена адаптация размера кадра под нагрузку абонентов. Таким образом, остается актуальной задача оптимизации характеристик, которая состоит в нахождении лучшего соотношения интенсивности входной нагрузки и формата кадра.
Еще один способ повысить пропускную способность протокола WiMAX, а, соответственно, и его эффективность – это уменьшить затраты на управление доступом. Величина запроса полосы пропускания (Bandwidth Request) по стандарту [7] составляет 6 байт для каждой абонентской станции.
Рис. 5. Зависимость времени задержки пакетов в восходящем канале от интенсивности входной нагрузки при изменении размера запроса полосы пропускания BR
На рисунке 5 представлены зависимости времени задержки от интенсивности входной нагрузки при изменении размера запроса полосы пропускания. Графики подтверждают логичный вывод о том, что уменьшение затрат на управление доступом приводит к улучшению характеристик задержки, за счет снижения времени начальной задержки (из-за уменьшения размера кадра) и увеличения пропускной способности (благодаря тому, что доля абонентских данных в кадре увеличивается). Численный анализ показывает, что в зависимости от того, сколько тактов в кадре выделяется под передачу информационных пакетов, уменьшение размера запроса полосы пропускания BR с 6 до 3 байт улучшает пропускную способность на 2-11%.
Заключение
В настоящее время к системам широкополосного доступа приковано особое внимание операторов связи и разработчиков нового оборудования. Беспроводные сети на базе технологии WiMAX обладают исключительными преимуществами по оперативности развертывания, стоимости, охвату территории, а также мобильности.
На сегодняшний день стандарт IEEE 802.16, лежащий в основе WiMAX, продолжает развиваться и совершенствоваться, в связи с чем, особую актуальность приобретает решение задач повышения эффективности его функционирования. В самом стандарте уже заложены некоторые возможности, дающие свободу действий производителям при его применении (например, стандартом зарезервировано 256 типов управляющих сообщений, из них используется только 48). Однако для существенного повышения эффективности применения новых управляющих команд будет недостаточно. Необходимы принципиальные изменения на самом MAC-уровне стандарта.
В данной статье были приведены вероятностно-временные характеристики протокола WiMAX с фиксированным форматом кадра, полученные с помощью численно-аналитического метода баланса интенсивностей нагрузок [1], отображающие некоторые возможности для повышения эффективности этого протокола. Зависимость времени задержки от интенсивности входной нагрузки при изменении числа тактов, отведенных под абонентские данные, наглядно демонстрирует необходимость динамической адаптации формата кадра в процессе изменения нагрузки. Аналогичная зависимость при изменении размера управляющих пакетов, также показывает возможность увеличения пропускной способности канала за счет уменьшения этого размера (это возможно при использовании более эффективных методов множественного доступа).
Таким образом, необходимо продолжать работать над совершенствованием стандарта перспективной беспроводной сети WiMAX, чтобы максимально производительно использовать все ее ресурсы, ведь даже не рассматривая (в рамках данной статьи) влияние времени распространения, ошибок и прочих факторов на характеристики протокола, очевидно, что есть слабые стороны на MAC-уровне, нуждающиеся в устранении.
Автор признательна проф. Мархасину Александру Беньяминовичу за помощь в постановке и решении задачи анализа ВВХ протокола WiMAX.
Литература
1. Мархасин А. Б. Задачи анализа и оптимизации мультисервисных мобильных сетей // Автометрия, 2008, т. 44, №5, с.123-134.
2. Шахнович И. В. Современные технологии беспроводной связи. Москва: Техносфера, 2006. – 288 с.
3. S. Ramachandran, C. W. Bostian, and S. F. Midkiff, Performance Evaluation of IEEE 802.16 for Broadband Wireless Access, Proceedings of OPNETWORK, 2002.
4. A. Syed, M. Ilyas. WiMAX: technologies, performance analysis, and QoS. CRC Press, London, 2008.
5. Ni Q., Vinel A., Xiao Y., Turlikov A., Jiang T. Investigation of Bandwidth Request Mechanisms under Point-to-Multipoint (PMP) Mode of WiMAX Networks // IEEE Communications Magazine, № 5, 2007.
6. Винель А.В. Разработка методов анализа протоколов управления доступом к среде в централизованных беспроводных сетях. Автореферат, Москва, 2007, 18 с.
7. IEEE Std IEEE 802.16-2004 (Revision of IEEE Std IEEE 802.16-2001). IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Access Systems// IEEE. 2004. 1 October.
8. IEEE Std IEEE 802.16e-2005. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Access Systems// IEEE. 2006. 28 February.
9. Дроздова В.Г. Анализ вероятностно-временных характеристик протоколов MAC беспроводных сетей класса WiMAX с фиксированными форматами кадров, 10-я международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM’2009, с. 153-156.
