QoS w sieciach (W)LANzskl.p.lodz.pl › ~morawski › Dyplomy › Praca dyplomowa p... · Marcin...

Marcin Wawruszczak

QoS w sieciach (W)LANpraca magisterska

Promotor: Dr inż. Michał Morawski

Dyplomant: Marcin Wawruszczak nr albumu 120389

Łódź, wrzesień 2008

QoS w sieciach (W)LAN 2

Spis treści1. Wstęp................................................................................................................................................72. Cel i zakres pracy.............................................................................................................................93. Skróty i akronimy ..........................................................................................................................114. Sieci bezprzewodowe.....................................................................................................................15

4.1 Zarys historyczny ....................................................................................................................154.2 Definicje...................................................................................................................................154.3 Architektura warstwy MAC.....................................................................................................184.4 Przedziały czasowe IFS...........................................................................................................194.5 Mobilność a WLAN.................................................................................................................20

5. Metody standardu 802.11...............................................................................................................215.1 DCF .........................................................................................................................................21

5.1.1 Zasada działania...............................................................................................................21 5.1.2 Procedura unikania kolizji, backoff................................................................................225.1.3 Mechanizm RTS/CTS......................................................................................................235.1.4 Licznik powtórzeń............................................................................................................235.1.5 Fragmentacja w DCF.......................................................................................................245.1.6 Ograniczenia metody DCF...............................................................................................24

5.2 PCF..........................................................................................................................................255.2.1 Zasada działania...............................................................................................................255.2.2 Synchronizacja, ramka beacon.........................................................................................265.2.3 Transmisja danych z punktu dostępowego.......................................................................265.2.4 Polling list .......................................................................................................................275.2.5 Ograniczenia PCF............................................................................................................27

6. Klasyfikacja metod QoS w sieciach WLAN..................................................................................297. 802.11e............................................................................................................................................31

7.1 HCF..........................................................................................................................................317.1.1 TXOP...............................................................................................................................317.1.2 Traffic stream ..................................................................................................................327.1.3 HCF algorytm kolejkowania, harmonogramowania........................................................32

7.2 EDCA.......................................................................................................................................347.2.1 Zasada działania...............................................................................................................347.2.2 EDCA a procedura backoff..............................................................................................367.2.3 Domyślne parametry EDCA ...........................................................................................367.2.4 PF a poprawa QoS przy AC.............................................................................................377.2.5 Dynamiczne CW w EDCA..............................................................................................377.2.6 Multitransmisja ramek w EDCA......................................................................................377.2.7 Retransmisja ramek w EDCA..........................................................................................387.2.8 Czas życia ramki w kolejce a QoS...................................................................................38

7.3 HCCA......................................................................................................................................397.3.1 Zasada działania...............................................................................................................397.3.2 CAP, CCI, CC, CCOP......................................................................................................407.3.3 CFB..................................................................................................................................417.3.4 mCFB...............................................................................................................................417.3.5 Kontrola dostępu w AP....................................................................................................42

7.4 Block Ack................................................................................................................................437.4.1 Imeediate, delay block ack...............................................................................................437.4.2 Reguły transferowe BlockAck.........................................................................................447.4.3 Kończenie transmisji BlockAck.......................................................................................44


7.5 Direct Link protocol.................................................................................................................447.5.1 Zasada negocjacji połączenia z wykorzystaniem AP ......................................................44

7.6 Wireless Address Resolution Protocol.....................................................................................457.7 APSD- Automatic Powe Save Delivery...................................................................................45

7.7.1 APSD- mechanizmy.........................................................................................................467.7.2 Główne zalety APSD.......................................................................................................46

8. Metody bazujące na DCF...............................................................................................................478.1 AC/IAAC ................................................................................................................................478.2 Blackburst................................................................................................................................478.3 JDRC /DC................................................................................................................................488.4 DFS- Distributed fair scheduling.............................................................................................488.5 VMAC.....................................................................................................................................488.6 AEDCA ...................................................................................................................................49

9. Metody bazujące na PCF................................................................................................................519.1 Robust SuperPoll.....................................................................................................................519.2 FHCF ......................................................................................................................................51

10. Problem mobilności stacji............................................................................................................5310.1 802.11 roaming......................................................................................................................5310.2 Ograniczenia roaming ...........................................................................................................5310.3 Rozwiązania dla roamingu.....................................................................................................5410.4 802.11r ..................................................................................................................................54

10.4.1 Fast BSS transistion, procedura fast hand-off................................................................5510.4.1.1 Bezpieczeństwo......................................................................................................55

10.4.2 QoS ................................................................................................................................5510.5 LWAPP...................................................................................................................................5610.6 Inne rozwiązania dla sieci WLAN.........................................................................................56

11. Symulacje przy użyciu NS-2 .......................................................................................................5711.1 Roaming.................................................................................................................................57

11.1.1 Opis symulacji................................................................................................................5711.1.2 Metoda handover w ns-2.33...........................................................................................5711.1.3 Analiza wyników............................................................................................................5811.1.4 Schemat wymiany komunikatów...................................................................................5811.1.5 Graficzna interpretacja wyników...................................................................................59

11.2 802.11e HCF .........................................................................................................................6111.2.1 Opis symulacji ...............................................................................................................6111.2.2 HCCA.............................................................................................................................61

11.2.2.1 Analiza wyników....................................................................................................6111.2.2.2 Graficzna interpretacja wyników...........................................................................62

11.2.3 HCCA, EDCA................................................................................................................6311.2.3.1 Analiza wyników....................................................................................................6311.2.3.2 Graficzna interpretacja wyników...........................................................................63

11.2.4 EDCA.............................................................................................................................6411.2.4.1 Analiza wyników....................................................................................................6411.2.4.2 Graficzna interpretacja wyników...........................................................................65

12. Podsumowanie..............................................................................................................................67Bibliografia.........................................................................................................................................68Zawartość płyty CD............................................................................................................................73


Spis tabelTabela 4.4.2 Domyślne wartości czasów IFS poszczególnych standardów .................................20Tabela 6.1 Klasyfikacja metod QoS...........................................................................................29Tabela 7.2.1 Odwzorowanie priorytetów na kolejki......................................................................35Tabela 7.2.2 Opis kolejek ruchu....................................................................................................35Tabela 7.2.3 Domyślne parametry EDCA zdefiniowane przez 802.11e.......................................36Tabela 11.2.2.1 Wyniki symulacji HCCA..........................................................................................62Tabela 11.2.3.1 Wyniki symulacji EDCA,HCCA..............................................................................63Tabela 11.2.4. Parametry poszczególnych kolejek AC.....................................................................64Tabela 11.2.4.1 Wyniki symulacji EDCA...........................................................................................64

Spis rysunków4.2.1 Independet basic service set.................................................................................................174.2.2 Infrastructure BSS................................................................................................................174.3 Architektura MAC................................................................................................................184.4.1 Zależności pomiędzy czasami IFS.......................................................................................195.1.1 DCF, dostęp podstawowy.....................................................................................................215.1.2.1 Procedura backoff.................................................................................................................225.1.3 Schemat RTS/CTS................................................................................................................235.2.1 PCF, interwał beacon............................................................................................................257.2.1.1 EDCA a DCF........................................................................................................................347.2.1.2 Działanie EDCA i prezentacja AIFS....................................................................................357.3 HCCA, interwał beacon........................................................................................................397.3.1 CAP/CP/CFP, zależności......................................................................................................407.2.4 CFB.......................................................................................................................................417.2.5.1 mCFB, brak potwierdzenia ramki........................................................................................417.2.5.2 mCFB, brak potwierdzenia jednej z ramek w sekwencji.....................................................427.4.1.1 Immediate block ack.............................................................................................................437.4.1.2 Delay block ack....................................................................................................................4310.5.1 LWAPP, działanie.................................................................................................................5611.1.5.1 Czas wysłania danych a opóźnienie. Ruch UDP/Exponential..............................................5911.1.5.2 Czas wysłania danych a opóźnienie. Ruch UDP/CBR.........................................................6011.2.2.2 Czas wysłania pakietu a opóźnienie, HCCA........................................................................6211.2.3.2 Czas wysłania pakietu a opóźnienie, EDCA i HCCA..........................................................6311.2.4.2 Czas wysłania pakietu a opóźnienie, EDCA........................................................................65


1. WstępSzybka i niezawodna komunikacja od wielu lat jest dla każdego z nas kluczowym elemen

tem w interakcjach międzyludzkich. Nikt przecież nie lubi długo oczekiwać na otrzymanie pożądanej informacji. Metody i sposoby komunikacji ewoluowały na przestrzeni wieków. Począwszyod posłańców mających dostarczyć wiadomość przemierzając setki kilometrów aż po dziś, gdzie jedno kliknięcie w komunikatorze może implikować wysłaniem wiadomości do kogoś na drugim końcu świata.

Dzisiejsze metody wymiany i dostarczania informacji są możliwe głównie dzięki szybkiemu rozwojowi technologicznemu, który został zapoczątkowany w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku. Wówczas rozpoczęto prace nad stworzeniem sieci komputerowych, które, jak można dziś zaobserwować, całkowicie zmieniły nasz świat i sposób myślenia. Prowadzone na renomowanych uczelniach amerykańskich zrewolucjonizowały interakcje międzyludzkie. Prawdziwą rewolucję przyniosły lata dziewięćdziesiąte ubiegłego wieku dając nam możliwość komunikacji poprzez ogólnoświatową sieć internet.

W tym okresie zapoczątkowano również prace nad stworzeniem sieci bezprzewodowych, które zapewniają możliwość komunikacji bez użycia okablowania. Posiadając tylko odpowiednie urządzenie, np. laptop, możemy komunikować się z każdego miejsca, gdzie tylko istnieje infrastruktura tych sieci. Grupa standardów IEEE 802.11 jest najpopularniejszym rozwiązaniem gwarantującym bezprzewodową możliwość komunikacji. Została rozpowszechniona w przemyśle, biznesie oraz w gospodarstwach domowych. Dalszy rozwój cywilizacyjny implikował coraz większymi wymaganiami w stosunku do tych sieci w zakresie jakości transmisji (ang. Quality of service).

QoS [49], z definicji, to możliwość zapewnienia różnych priorytetów dla przepływów danych w celu dostarczenia gwarancji dotyczącej opóźnień czy wymaganej prędkości transmisji. Mechanizm pełni bardzo istotną rolę w przypadku sieci działających w środowisku podatnym na zakłócenia, gdzie przepustowość sieci jest zmienna i może być okresowo niewystarczająca. Istnieje szereg aplikacji multimedialnych wymagających właśnie specjalnego traktowania ze względu na charakterystykę działania.

Dla twórców sieci bezprzewodowych WLAN kluczowym zagadnieniem stało się zapewnienie jakości transmisji obok problemów związanych z bezpieczeństwem i mobilnością. Najpopularniejsze z rozwiązań QoS, jak IntServ [30], DiffServ [29] czy MLPS [20], [31], działają niestetyw trzeciej warstwie modelu ISO/OSI. Specyfikacja 802.11 obejmuje tylko dwie najniższe warstwy wzorca, a z racji charakterystyki medium transmisyjnego, istniejące tu mechanizmy, nie są wystarczające.

Intensywne prace nad zapewnieniem QoS w WLAN doprowadziły do powstania wielu nowych rozwiązań bazujących głównie na podstawowych metodach kontroli dostępu do medium przedstawionych w pierwszej publikacji standardu.

W pracy postaram się przybliżyć funkcje mające zagwarantować jakość świadczonej transmisji użytkownikom sieci bezprzewodowych WLAN zaproponowane w celu zapewnienia odpowiednio wysokiej przepustowości i możliwości kontroli opóźnień.


2. Cel i zakres pracyCelem niniejszej pracy jest przedstawienie metod zapewniania jakości transmisji w sieciach

bezprzewodowych WLAN. Wraz z przedstawieniem funkcji od strony teoretycznej należy zaprezentować sposób ich działania i zakres zapewniania jakości świadczonych usług tworząc odpowiednie scenariusze zaprezentowane przy pomocy specjalistycznego programu do pomiarów sieciowych, NS-2, [41], [42], [58].

W pracy także zostanie rozpatrzony problem mobilności stacji, na jakie zjawiska jest narażona i jakim podlega podczas przemieszczania.

Charakterystyka poszczególnych rozdziałów, z wyjątkiem rozdziału 1 i 2, prezentuje się następująco:

Rozdział 3 – wyjaśnienie wszystkich skrótów i akronimów, które pojawią się w pracy.

Rozdział 4 – zaprezentowanie podstawowych informacji o sieciach bezprzewodowych, genezy powstania, architektury warstwy MAC.

Zostaną także wyjaśnione pojęcia związane z sieciami WLAN, ale tylko te powiązane bezpośrednio z rozprawą na temat jakości świadczonych usług.

Rozdział 5- przybliżenie podstawowych metod dostępu do medium transmisyjnego, wskazanieich wad, a także przedstawienie jaki poziom jakości transmisji potrafią zapewnić.

Rozdział 6 – zaprezentowanie klasyfikacji metod ze względu na sposób w jaki mają radzić sobiez obciążeniem sieci. Wszystkie metody w tejże klasyfikacji bazują na metodach opisanych w rozdziale piątym.

Rozdział 7 – przedstawienie możliwości standardu 802.11e wraz z nowymi funkcjami wprowadzonymi w celu lepszej utylizacji dostępnego pasma.

Rozdział 8 – omówienie metod opartych na DCF na podstawie podziału zaprezentowanego w rozdziale szóstym.

Rozdział 9 – omówienie metod opartych na PCF na podstawie podziału zaprezentowanego w rozdziale szóstym.

Rozdział 10 – omówienie zasad roaming w sieciach bezprzewodowych WLAN wraz z przedstawieniem nowego rozwiązania mającego na celu zmniejszenie złożoności procesów roaming i przyspieszenie działania sieci, standard 802.11r.

Rozdział 11 – symulacje przeprowadzone przy użyciu NS-2: roaming oraz 802.11e HCF, i ich analiza.

Rozdział 12 – podsumowanie pracy.


3. Skróty i akronimy Sieci bezprzewodowe WLAN wprowadziły wiele nowych akronimów, a ich liczba i częstość

wykorzystywania może przerazić każdego. Przedstawiam wszystkie skróty, które zostały wykorzystane w pracy. Pozostałe można znaleźć w [21].

AC (ang. access category) kategoria dostępu

ACK (ang. acknowlegment) potwierdzenie

ACRQ (ang. association request) prośba asocjacji z punktem dostępowym

ACRP (ang. association response) odpowiedź punktu dostępowego na prośbę asocjacji

ADDBA Request (ang. add block acknowledgment request) ramka wysyłana w celu inicjacji blokowego potwierdzania danych

ADDBA Response (ang. add block acknowledgment response)

odpowiedź na ramkę ADDBA Request informująca, czy istnieje możliwość blokowego potwierdzania danych

ADDTS Request (ang. add traffic stream request) ramka wysyłana przez stację do punktu dostępowego zawierająca informację odnośnie priorytetu strumienia i żądająca dla niego kontroli transmisji.

ADDTS Response (ang. add traffic stream response) odpowiedź na ramkę ADDTS Request informująca stację czy prośba kontroli dla danego strumienia zostanie zrealizowana przez punkt dostępowy

AIFS (ang. arbitration interframe space) arbitrażowy odstęp międzyramkowy

AID (ang. association id) numer identyfikacyjny sieci

APSD (ang. automatic power save delivery) dostawy danych w trybie oszczędzania energii

AP (ang. access point) punkt dostępowy sieci bezprzewodowej

AUTH (ang. authentication) autentykacja

Block Ack (ang. block acknowlegment) blokowe potwierdzanie danych jedną ramką ACK

BSA (ang. basic service area) obszar funkcjonowania sieci bezprzewodowej

BSS (ang. basic service set) podstawowy blok tworzący grupę urządzeń bezprzewodowych logicznie ze sobą powiązanych wykorzystujących standard 802.11

BSSID (ang. basic service set identification) identyfikator powiązany z określonym BSS

BT (ang. backoff timer) licznik wykorzystywany w procedurze backoff

CA (ang. collision avoidance) procedura unikania kolizji

CAP (ang. controlled access phase) okres kontrolowanego dostępu do medium

CC (ang. controlled Contention) kontrolowanie rywalizacji o kanał

CCA (ang. clear channel assesment) logiczna funkcja warstwy fizycznej determinująca stan medium transmisyjnego

CCI (ang. controlled contention interval) kontrolowany interwał rywalizacji

CCOP (ang. controlled contention opportunity) kontrolowana możliwość transmisyjna

CFPMaxDuration (ang. contention free period max duration)

maksymalny czas trwania okresu braku rywalizacjio dostęp do medium transmisyjnego

CFB (ang. contention free burst) technika redukcji kosztów transmisji w WLAN pozwalająca na wielokrotną transmisję danych

CFP (ang. contention free period) okres braku współzawodnictwa


CP (ang. contention period) okres współzawodnictwa

CIF (ang. capability information field) pole informujące o możliwościach stacji

CSMA (ang. carrier sense multiple access) rozszerzenie protokołu MAC z możliwością oceny ruchu w transmisji przed wysłaniem sygnału poprzez fizyczne medium

CW (ang. contention window) okno rywalizacji

Delba (ang. delete block acknowledgment) ramka wysyłana przez stację, która chce zakończyć procedurę blokowego potwierdzania danych

DCF (ang. distributed coordination function) podstawowa funkcja koordynacji transmisji

DCW (ang. dynamic contention window) dynamiczne okno rywalizacji

DFS (ang. dynamic frequence selection) dynamiczny wybór częstotliwości kanału

DLP (ang. direct link protocol) protokół bezpośredniego połączenia

DIFS (ang. DCF interframe space) odstęp międzyramkowy funkcji DCF

DSSS (ang. direct sequence spread spectrum) technika modulacji polegająca na bezpośrednim modulowaniu nośnej sekwencją kodową

EDCA (ang. enhanced distributed channel access)

rozszerzona funkcja dystrybucji transmisji, wprowadzona wraz z 802.11e

EDCA-TXOP (ang. enhanced distributed channel access transmission opportunity)

możliwość dokonania transmisji podczas działania stacji w trybie EDCA

EIFS (ang. extended interframe space) wydłużony odstęp międzyramkowy

ESS (ang. extended service set) połączenie dwóch lub więcej BSS tworzących wspólną sieć

FHSS (ang. frequency hopping spread spectrum)

skakanie sygnału po częstotliwościach w kolejnych odstępach czasu, w dostępnym widmie (paśmie)

HCCA (ang. hybrid coordination channel access)

hybrydowa funkcja dostępu do medium

HCCA-TXOP (ang. hybrid coordination channel access transmission opportunity)

możliwość transmisyjna przydzielona przez funkcję koordynatora HCCA.

HDTV (ang. high definition tv) telewizja wysokiej rozdzielczości

HCF (ang. hybrid coordination function) hybrydowa funkcja koordynacji transmisji

HC (ang. hybrid coordinator) hybrydowy koordynator transmisji

IBSS (ang. independent basic service set) niezależny BSS, w którym komunikacja między poszczególnymi stacjami następuje w sposób bezpośredni

InfBSS (ang. infrastructure basic service set) BSS z logiczną strukturą, punktami dostępowymi

IETF (ang. internet engineering task force) międzynarodowe stowarzyszenie osób zainteresowanych ustanawianiem standardów technicznych i organizacyjnych

IFS (ang. interframe spacing) odstęp międzyramkowy

LRC (ang. long retry counter) długi licznik powtórzeń

LAN (ang. local area network) sieć lokalna

LWAP (ang. lightweight access points) system nadajników/odbiorników tworzących wspólnie obszar działania sieci bezprzewodowej

LWAPP (ang. lightweight access points protocol) protokół LWAP

mCFB (ang. modified contention free burst) zmodyfikowane CFB


MMPDU (ang. managment mac protocol data unit) ramka zarządzająca

MAC (ang. medium access control) warstwa dostępu do medium

MSDU (ang. MAC service data unit) ramka danych

NAV (ang. network allocation vector) wektor alokacji sieciowej

OFDM (ang. orthogonal frequency division modulation)

technika cyfrowej modulacji, w której sygnał wejściowy jest dzielony na kilka wąskich kanałów na różnych częstotliwościach

QBSS (ang. qos suporting basic service set) BSS wspierające QoS

QoS (ang. quality of service) jakość świadczonych usług

QAP (ang. QoS access point) punkt dostępowy zapewniający mechanizm QoS

QBSS (ang. QoS basic service set) BSS obsługujące mechanizm QoS

QSTA (ang. QoS station) stacja zapewniająca mechanizm QoS

PF (ang. persistance factor) czynnik odnoszący się do charakterystycznych danych powstałych podczas funkcjonowania sieci WLAN

PHY (ang. physical layer) warstwa fizyczna

PCF (ang. point coordination function) funkcja koordynacji (transmisji) punktowej

PC (ang. point cordinator) koordynator punktowy transmisji

PCF (ang. point coordination function) funkcja koordynacji punktowej

PIFS (ang. PCF interframe space) odstęp międzyramkowy funkcji PCF

PRRQ (ang. probe request) żądanie zbadania mocy sygnału

PRRP (ang. probe response) odpowiedź na żądanie zbadania mocy sygnału

RTS/CTS (ang. request to send/ clear to send) prośba wysłania/możliwość wysłania

RR (ang. reservation request) prośba rezerwacji kanału na potrzeby transmisji

RSI (ang. required service interval) wymagany poziom usług przez stację

RTO (ang. remaining timeout) pozostały limit czasu odpowiedzi

SSID (ang. service set identifier) identyfikator usługi

S-APSD (ang. scheduled automatic power save delivery)

metoda planowania dostarczania ramek podczas działania stacji w trybie oszczędzania energii

SDTV (ang. sat digital tv) cyfrowa wersja analogowego standardu NTSC

SIFS (ang. short interframe spaces) najkrótszy odstęp międzyramkowy

SlotTime przedział czasu wchodzący w skład okna CW

SP (ang. service period) okres usługi

SI (ang. service interval) interwał usługi

SRC (ang. short retry counter) krótki licznik powtórzeń

STA (ang. station) komputer przenośny np. laptop

TC (ang. traffic category) kategorie ruchu

TBTT (ang. target beacon transmission time) czas wystąpienia transmisji ramki beacon

TID (ang. traffic identifier) identyfikator ruchu

TCLASS (ang. traffic class) klasa ruchu

TS (ang. traffic stream) ruch strumieniowy

TSF (ang. timing synchronization function) funkcja odpowiadająca za procedury synchronizacjiw sieci WLAN


TXOP (ang. transmision oportunity) okazja, możliwość transmisji

U-APSD (ang. unscheduled automatic powersave delivery)

niezarządzana metoda oszczędzania energii

WARP (ang. wireless address resolution protocol)

protokół rozwiązywania adresów w sieciach bezprzewodowych WLAN

WiFi (ang. wireless fidelity) zestaw standardów stworzonych do budowy bezprzewodowych sieci komputerowych

WLAN (ang. wireless local area network) lokalna sieć bezprzewodowa

WLC (ang. wireless lan controler) kontroler sieci bezprzewodowej WLAN

VoIP (ang. voice over internet protocol) transmisja głosowa w sieciach IP

VoWLAN (ang. voice over wireless local area network)

transmisja dźwięku, głosowa w sieciach bezprzewodowych WLAN


4. Sieci bezprzewodowePrzed rozpoczęciem faktycznej lektury traktującej o jakości transmisji pomocne okazać się

może przybliżenie ogólnych zagadnień związanych z sieciami bezprzewodowymi. Grupa standardów 802.11 definiuje wiele nowych pojęć i akronimów (zdefiniowanych

w rozdziale 3). W tym rozdziale postaram się w przyjazny sposób zaprezentować podstawowe pojęcia związane z tym rodzajem sieci, które okażą się wartościowe w zakresie tej pracy.

4.1 Zarys historyczny Sieci bezprzewodowe WLAN, z definicji są typem sieci, które pozwalają na połączenie

dwóch lub więcej komputerów bez konieczności używania okablowania między nimi. Ich historia sięga lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku i pracy Normana Abramsona, [4]. Jako pierwszy zaprojektował model komunikacji między komputerami wykorzystując fale radiowe.

AlohaNet, bo tak się nazywała, pozwalała na komunikację komputerów z centralną jednostką na jednej z wysp bez wykorzystywania kabli. Były to początki rozwoju tego rodzaju wymiany informacji. W ciągu kolejnych lat można zaobserwować wzrastające zainteresowanie komunikacją bezprzewodową i wielkiej dynamiki rozwoju w latach dziewięćdziesiątych dwudziestego wieku.

Wtedy też rozpoczęły się prace nad stworzeniem standardu sieci bezprzewodowych WLAN uwieńczone sukcesem w roku 1997 (802.11y niezaakceptowany w środowisku informatycznym),[22].

Specyfikacja 802.11 koncentruje się na zdefiniowaniu 802.11 MAC (warstwa dostępu do medium) oraz warstw fizycznych: FHSS i DSSS. Dalsze prace nad WiFi szybko doprowadziły do powstania standardu 802.11b, który definiuje kolejny rodzaj warstwy fizycznej- HR/DSSS. Standard ten został jako pierwszy wprowadzony na rynek i bardzo wiele urządzeń do chwili obecnej bazuje na nim podczas swojej pracy. Zostały również opublikowane rozszerzenia standardu znakowane 802.11a i 802.11g specyfikujące kolejne rodzaje warstwy fizycznej- odpowiednio OFDM oraz HS/OFDM z wsteczną kompatybilnością. Oferują one możliwość szybszej transmisji i lepsze metody wykorzystania dostępnego pasma transmisyjnego. Trwają także prace nad nowym standardem 802.11n mającym obejmować rozległe sieci bezprzewodowe i zapewniać prędkość rzędu 100Mb/s, dzięki wykorzystaniu technologii MIMO, [39].

Najbardziej istotnym w dalszych rozważaniach w tej pracy będzie standard 802.11e opublikowany w 2005 roku. Przedstawia funkcje obsługujące mechanizm priorytetowy dla różnego rodzaju ruchu w sieciach bezprzewodowych.

4.2 DefinicjeWszystkie występujące definicje zostały napisane na podstawie [21], [14], [37]. Niektóre

z nich mogą się powtarzać względem rozwinięć skrótów z rozdziału 3, jednakże istnieje konieczność doprecyzowania pojęć w celu lepszego zrozumienia dalszej części pracy.

Access category – etykieta dla parametrów poszczególnych kolejek ruchu powiązanych z funkcją EDCA używanych przez mechanizmy jakości transmisji (ang. quality of service) do rywalizacjio dostęp do medium transmisyjnego w celu transmisji ramek danych z kolejek. Gwarantuje sposób podziału ruchu w sieci ze względu na jego rodzaj.

Access point – jednostka posiadająca funkcjonalność stacji mobilnej i zapewniająca dostęp do systemu dystrybucji dla powiązanych z nią stacji.


Admission control – algorytm gwarantujący, że dostęp do medium dla nowego przepływu danych nie naruszy zobowiązań tego ruchu poczynionych w stosunku do sieci.

Basic service area – obszar zawierający członków BSS.

Basic service set - grupa stacji komunikujących się między sobą. Komunikacja odbywa się w obrębie BSA, które jest ściśle powiązane ze sposobem propagacji medium transmisyjnego. Stacje znajdujące się w obrębie BSA mogą się komunikować z innymi członkami BSS.

Contention-free period – okres czasu, podczas którego prawo do transmisji posiada koordynator punktowy/hybrydowy. Pozwala na wymianę danych jedynie pomiędzy stacjami mającymi prawo do transmisji w obrębie BSS (nie muszą one rywalizować o medium transmisyjne).

Contention period – okres czasu, w którym stacje rywalizują między sobą o możliwość transmisji danych na zasadzie podobnej do algorytmu CMSA/CA. W BSS, jeśli nie występuje HC/PC czas ten odnosi się do całego czasu operacji w obrębie BSS.

Controlled acces phase – okres czasu, kiedy HC utrzymuje kontrolę nad medium transmisyjnym, gdy było ono dostępne przez czas PIFS. Podczas tego okresu może w całej jego rozpiętości zapewniać kilka TXOP dla różnorakich stacji w obrębie BSS.

Coordination function – logiczna funkcja weryfikująca, kiedy stacja działająca w obrębie BSS ma pozwolenie do dokonania transmisji ramek danych. Występują dwie funkcje koordynacji: hybrydowa (HC- ang. hybrid coordination) używana przy wykorzystaniu metody HCF i punktowa (PC- ang. point coordination) używana przy wykorzystaniu PCF.

Enhanced distributed channel access – priorytetowy mechanizm bazujący na CSMA/CA używany do zapewnienia jakości świadczonych usług dla stacji działających w obrębie BSS. Opisany szczegółowo w rozdziale 7.2.

Enhanced distributed channel access function (EDCAF) – funkcja logiczna określająca kiedy, używając EDCA, kolejka transmisyjna powiązana z określoną AC dostaje pozwolenie na dokonanie transmisji. Występuje jedna funkcja EDCAF dla każdej istniejącej AC (maksymalnie cztery).

Extended service area – obszar, w którym członkowie ESS mogą się ze sobą komunikować. ESA jest większe bądź równe BSA i może zawierać kilka BSS.

Extended service set – jest siecią składającą się z połączonych z sobą BSS i sieci szkieletowej. Wszystkie BSS znajdujące się w zasięgu określonego ESS dostają ten sam numer SSID, który przez użytkownika jest używany jako identyfikator sieci.

Hybrid coordination function – funkcja rozszerzająca funkcjonalność podstawowych metod dostępu do medium transmisyjnego w sieciach bezprzewodowych WLAN w celu zapewnienia jakości transmisji.

HC - hybrydowy koordynator ruchu zdefiniowany jako część funkcjonalności QoS.

Independent basic service set (IBSS) - stacje znajdujące się w IBSS komunikują się w zasadzie bezpośrednio między sobą, bez wykorzystania punktów pośredniczących. Takie typy struktur są tworzone na potrzeby chwili i krótki okres czasu. Przykładem dobrze ilustrującym takową sytuację


będą dwaj znajomi chcący wymienić się między sobą danymi. Na potrzeby transmisji utworzą oni IBSS do wymiany danych. W momencie zakończenia wszystkich transmisji IBSS zostanie przez nich rozwiązane.

Rysunek 4.2.1 Independent basic service set ,[21],[14].

Infrastructure basic service set – charakteryzują się wykorzystaniem do komunikacji jednostki centralnej, AP. Punkty dostępowe są używane do wszelkiej komunikacji pomiędzy węzłami sieci, stacjami w obrębie BSA. Konwersacja pomiędzy dwoma stacjami odbywa się etapowo: transfer danych do AP przez stację inicjującą transmisję i dopiero AP przekazuje ramkę do odbiorcy.

Wszystkie stacje, korzystające z transmisji bezprzewodowej muszą znajdować się w zasięgu AP. Ta metoda mimo pochłaniania większej niż transmisja bezpośrednia przepustowości łącza nie wymaga od stacji utrzymywania relacji pomiędzy wszystkimi mobilnymi stacjami w jej zasięgu.

Rysunek 4.2.2 Infrastructure BSS, [14].

Medium access control – warstwa dostępu do medium.

Medium access control management protocol data unit – jednostka danych wymieniana pomiędzy dwoma encjami MAC w celu dostarczenia informacji o stanie medium transmisyjnego.

Medium access control protocol data unit– jednostka danych wymieniana pomiędzy dwoma stacjami z wykorzystaniem medium transmisyjnego (warstwy fizycznej).

Network allocation vector– zmienna utrzymywana przez każdą ze stacji w obrębie BSS zmniejszająca prawdopodobieństwo, wzajemnego zakłócenia transmisji przez stacje.

Point coordinator – jednostka występująca wraz z AP, która odpowiada za realizację funkcji PCF.

Point coordination function – funkcja koordynacji transmisji gwarantująca w pewien sposób jakość transmisji. Opisana szczegółowo w podrozdziale 5.2.

Quality of service access point – punkt dostępowy, który wspiera rozwiązania przeznaczone dla zapewnienia określonego poziomu jakości transmisji.

Quality of service basic service set – BSS, które gwarantuje usługi związane z QoS.


Quality of service station – stacja, która implementuje mechanizmy QoS, zachowuje się jak zwykła w przypadku asocjacji z punktem dostępowym nie wspierającym rozwiązań dla QoS.

Service interval – interwał czasu pomiędzy startem dwóch występujących po sobie SP.

Service period – odcinek czasu podczas którego stacja posiada możliwość transmisji i odbierania danych.

Station (STA) – każde urządzenie, które działa w grupie standardów 802.11.

Traffic category– etykieta dla ramek MSDU pozwalająca rozróżnić je na podstawie priorytetów użytkownika (ang. user priorities) widzianych przez wyższe warstwy modelu ISO/OSI.

Traffic classification – określenie parametrów poszczególnych MSDU w celu powiązania ramekz poszczególnymi TS. Mechanizm jest wykorzystywany w celu zapewnienia rozróżniania ruchui jakości transmisji.

Traffic identifier – identyfikator używany przez wyższe warstwy w celu rozróżniania ramek MSDU wspierających mechanizmy QoS.

Traffic specification – charakterystyka strumienia danych pomiędzy QSTA a QAP.

Traffic stream – grupa ramek, która ma być dostarczona z odpowiednią gwarancją jakości usług QoS.

Traffic stream identifier – identyfikator poszczególnych strumieni ruchu.

Transmission opportunity – odcinek czasu, w którym określona stacja posiadająca prawo do transmisji, może wysyłać swoje dane.

User priority– wartość powiązana z MSDU podkreślająca jak dana ramka ma zostać potraktowana. UP jest przypisywany do ramek MSDU w warstwach ponad MAC.

Wireless local area network – sieć lokalna, w której połączenia między urządzeniami sieciowymi zrealizowano bez użycia okablowania.

4.3 Architektura warstwy MAC

Rysunek 4.3 Architektura MAC, [21],[7].

Rysunek 4.3 przedstawia architekturę warstwy MAC z wyszczególnieniem istniejących funkcji. Podstawą dla wszystkich funkcji jest DCF, standardowa metoda dostępu do medium w sieciach bezprzewodowych. Nad nią działają funkcje PCF i HCF. Pierwsza z nich jest podstawową


metodą dostępu w 802.11 i jej implementacja jest opcjonalna. Druga zaś, HCF, gwarantuje mechanizmy QoS mające na celu zapewnienie jakości świadczonej transmisji, wprowadzona wraz z standardem 802.11e.

4.4 Przedziały czasowe IFSIFS jest odcinkiem czasu wykorzystywanym przez STA podczas dostępu do medium, trans

misji danych. Odgrywa bardzo dużą rolę w poprawności i efektywności działania WLAN, [21]. Wraz z standardem 802.11 zostało zdefiniowanych pięć różnych czasów IFS, [21], [14]. Ich definicje uporządkowane są w sposób rosnący tzn. od najkrótszego czasu po najdłuższy. Poszczególne wartości IFS są zaprezentowane w tabeli 4.4.2, a rysunek 4.4.1 pokazuje zależności pomiędzy czasami.

SIFS - najkrótszy z przedziałów IFS zdefiniowany przez standard 802.11. Powinien być używany przez stację, która posiada konieczność zachowania dłuższego czasu dostępu do medium w celu zakończenia transmisji. Używanie najkrótszego z czasów IFS podczas wymiany danych, zapobiegnie próbie przejęcia kontroli nad medium przez pozostałe stacje, które muszą oczekiwać dłuższy odcinek czasu. W ten sposób SIFS daje priorytet dla np. sfinalizowania transmisji sekwencji ramek RTS/CTS.

PIFS - czas, który został zdefiniowany wraz z funkcją PCF. Powinien być używany tylko przez stacje pracujące pod jurysdykcją tej metody dostępu do medium. Stosowany jest podczas zapewniania dostępu w CFP.

DIFS – czas wykorzystywany przez stacje pracujące w trybie funkcji DCF do transmisji ramek MPDU. To minimalny czas, po którym stacje rozpoczynają rywalizację o dostęp do medium transmisyjnego.

AIFS - interwał czasowy wprowadzony wraz z standardem 802.11e. Powinien być używany przez stację QSTA do transmisji ramek MPDU, MMPDU, RTS, CTS. Daje możliwość poszczególnym kolejką posiadać priorytet w dostępie do medium transmisyjnego, różnej długości AIFS.

EIFS - czas używany przez stacje w przypadku wystąpienia, podczas ostatniej próby transmisji, różnorakich błędów w sieci. Wszystkie stacje są zobligowane odczekać ten interwał przed próbą kolejnej transmisji ramki. Jego wartość jest ustalana na etapie tworzenia sieci i powinna być większa niż czas AIFS.

Każdy z IFS składa się z pewnej liczby odcinków nazywanych SlotTime, to jednostka czasu dotycząca dostępu do medium. Definiuje najmniejszy interwał, jaki stacja chcąca transmitować dane jest zobligowana odczekać przed faktycznym ich wysyłaniem.

Rysunek 4.4.1 Zależności pomiędzy czasami IFS, [21],[14],[7].


czas/standard 802.11a 802.11b 802.11g

SIFS 16ms 10ms 10ms

PIFS (SIFS+SlotTime) 25ms 30ms 19ms

DIFS (SIFS+2SlotTime) 34ms 50ms 28ms

AIFS* AIFS≥PIFS AIFS≥PIFS AIFS≥PIFSSlotTime 9ms 20ms 9ms

Tabela 4.4.2 Domyślne wartości czasów IFS poszczególnych standardów *Poszerzona wiedza z tego zakresu znajduje się w rozdziale 7.

4.5 Mobilność a WLANGłówną ideą przyświecającą twórcą WLAN jest zapewnienie mobilności. Jednakże przed

zagłębieniem się w tematykę należy zdefiniować pojęcia, które potrafią być bardzo często mylone:– sieci mobilne– sieci nomadyczne.

WiMAX jest najlepszym przykładem sieci nomadycznych, w których klient końcowy nie powinien swoimi ruchami wykroczyć poza obszar stacji bazowej, [28]. Użytkownik ma prawo poruszać się tylko w obszarze działania nadajnika z prędkością nie większą niż 2 m/s. Brak tu zaadresowanego pojęcia mobilności, gdyż sieci mobilne to systemy asymetryczne z grupą stacjonarnych TCVR świadczących usługi na rzecz danego obszaru, tzw. komórek, i odbiorników (karty sieciowe), statycznych bądź poruszających się, powiązanych z użytkownikami i odpowiadających za świadczenie usług na ich rzecz, [38]. WLAN przez wielu uznawane są za taki typ sieci. Jednakże patrząc od strony czysto technicznej standard 802.11 w wersji podstawowej nie zapewnia mobilności. Dopiero jego rozszerzenia, 802.11f i 802.11r, w których jest ona zaadresowana czynią z niej typową sieć mobilną. Użytkownik może poruszać się z maksymalną prędkością 10 m/s.

Najnowsza publikacja standardu 802.11 definiuje przenośność następująco:BSS transistion – stacja znajduje się w trybie ciągłego monitorowania mocy sygnału punk

tów dostępowych mających pokryć określony obszar. W zależności od sytuacji może się przełączać pomiędzy poszczególnymi AP w celu np. Równoważenia, obciążenia bądź w wyniku fizycznego przemieszczenia. Mechanizm jest opcjonalny w sieciach bezprzewodowych WLAN i nie każdy dostawca decyduje się na jej implementację, [21], [14]. Dalsze informacje zawarte są w rozdziale 10.

Jeśli w WLAN zapewniono mechanizm BSS transistion, to pozwala on użytkownikowi na przejście z zakresu jednego do drugiego AP, gdzie wszystkie punkty dostępowe tworzące obszar działania ESA są podłączone do sieci szkieletowej spełniającej funkcję dystrybucyjną. Ponadto każdej stacji w obrębie ESA przyporządkowany jest ten sam identyfikator, SSID. Klienci, którzy chcą dołączyć do sieci są zobligowani do jego użycia.


5. Metody standardu 802.11Warstwa MAC podstawowego standardu 802.11 definiuje dwie funkcje zapewniające kon

trolę nad dostępem stacji, w obrębie BSS, do medium transmisyjnego. DCF i PCF, zostały przedstawione bardzo szczegółowo w [21], a także, [12], [14], [46], [47], [48]. Oferują one odpowiednio asynchroniczny i synchroniczny model przesyłania danych.

5.1 DCF DCF jest podstawową metodą standardu sieci bezprzewodowych 802.11 zapewniającą mo

del asynchronicznej transmisji. Jej implementacja jest obligatoryjna we wszystkich tworzonych sieciach WLAN, a każda z STA jest zobligowana do jej obsługi.

5.1.1 Zasada działaniaFunkcja pracuje w trybie „słuchaj zanim rozpoczniesz transmisję”. Wykorzystuje mecha

nizm CSMA/CA, który opiera się na wykrywaniu aktywności w kanale i opóźnianiu transmisji aby uniknąć kolizji. Wykonuje tą funkcjonalność następująco:– CCA, metoda opierająca swoje działanie na wykrywaniu aktywności innych stacji poprzez ana

lizę wszystkich wykrytych pakietów oraz mocy sygnału docierającego do stacji. W przypadku wykrycia dochodzącej mocy sygnału nie przekraczającej określonego poziomu, ustalonego przy implementacji, kanał transmisyjny uznawany jest za dostępny, [37].

– wirtualne wykrywanie aktywności w kanale, wykorzystywane przez stację do informowania pozostałych stacji w obrębie BSS, jak długo kanał będzie zarezerwowany na potrzeby transmisji ramki. Jest to możliwe, dzięki wprowadzeniu dodatkowej funkcjonalności, wektora NAV, [37],[1]. Jego wartość, ustalana jest przez stacje znajdujące się w obrębie BSS w momencie otrzymania specjalnej ramki z określonym polem „czas trwania” (ang. duration). Informuje pozostałych klientów, jak długo medium będzie zajęte aż do dokonania przez stację transmisji. Wektor ten może zostać także ustawiony na wartość większą niż czas trwania transmisji jednej ramkiw celu ochrony kolejnych sekwencji wymiany danych. NAV jest przypisany każdej stacji i nieustająco zmniejszany bez względu na stan medium transmisyjnego, aby umożliwić stacji rywalizację o dostęp.

– CA (ang. collision avoidance), używany w celu poprawienia efektywności działania CSMA. Gwarantuje opóźnienie wysyłania danych, przez stację, o losowy odcinek czasu, w przypadku wykrycia aktywności w kanale, [37], [21].

Rysunek 5.1.1 DCF, dostęp podstawowy, [21], [7], [14], [46].

Dopóki wartość wektora NAV jest większa od zera bądź medium jest zajęte w myśl CCA stacja nie może rozpocząć transmisji.


Jednostka, która otrzyma dostęp do medium transmisyjnego ma prawo do wysłania ramkio maksymalnej długości 2304 bajtów, [21], [14], [46], [47]. Każdy poprawny transfer danych (ramka dotarła do odbiorcy), musi zostać potwierdzony. Odbywa się to poprzez mechanizm potwierdzeń, wysyłanie ramki ACK nie później niż po upływie czasu SIFS. Poprawnie zakończona transmisja danych pozwala ponownie przejść stacjom w tryb rywalizacji. Rysunek 5.1.1 przedstawia tą funkcjonalność.

5.1.2 Procedura unikania kolizji, backoffW sieciach WLAN istnieje duże prawdopodobieństwo wystąpienia kolizji podczas prób

transmisji. Jest to spowodowane charakterystyką medium. Standard 802.11 definiuje procedurę umożliwiającą unikanie niepotrzebnych kolizji, backoff, [21].

Jej działanie opiera się na konieczności odczekania określonego czasu, w przypadku zajętego medium, przed rozpoczęciem próby transmisji ramki. W ten sposób obowiązkowe przejście do procedury backoff gwarantuje w WLAN racjonalną metodę dostępu do medium dla STA.

Wraz z procedurą jest powiązany losowy odcinek czasu BT, którego wartość jest określona jako iloczyn przypadkowej wartości z przedziału [0,CW], gdzie CWmin≤CW≤CWmax , i SlotTime [21], odcinek czasu w głównej mierze uzależniony od rodzaju wykorzystywanej warstwy fizycznej i standardu.

Backoff polega na odliczaniu wszystkich SlotTime składających się na BT, przed dokonaniem próby transmisji danych. Wartość tego licznika zmniejsza się tylko wtedy, kiedy kanał jest dostępny. W chwili, gdy podczas procedury backoff stacja zdiagnozuje, że medium znów jest zajęte odliczanie BT jest przerywane, stan licznika zostaje zapamiętany, a dekrementacja wznawiana przy ponownym wejściu do procedury (medium dostępne przez czas DIFS). W momencie, w którym BT osiągnie wartość zero, stacja posiada możliwość transmisji danych, wysłania ramki.

Niestety, może się zdarzyć sytuacja, w której dwie stacje posiadają tą samą wartość początkową BT. Liczniki osiągną wartość zero w tym samym momencie i nastąpi kolizja podczas próby transmisji. Nadawca uzna, że wystąpiła taka sytuacja, jeśli nie otrzyma ramki ACK po upływie czasu SIFS i planuje wtedy retransmisję ramki przechodząc ponownie do procedury backoff. Zmniejszenie prawdopodobieństwa wystąpienia kolejnych kolizji jest zrealizowane poprzez zwiększanie wartości CW. Nieudana próba transmisji implikuje podwojeniem nominalnej wartości CW, pomniejszonej o 1, aż do osiągnięcia CWmax, a co za tym idzie zwiększanie przedziału z którego jest losowane BT. Kiedy CW osiągnie swój maksymalny rozmiar, pozostaje w takim stanie do czasu poprawnie zakończonej transmisji ramki bądź, gdy powiązany z transmisją licznik powtórzeń osiągnie swoją maksymalną wartość i ramka zostanie odrzucona. Zwiększanie CW podczas rywalizacjiw trybie DCF umożliwia utrzymanie stabilnego działania sieci WLAN nawet w przypadku dużego obciążenia. Rysunek 5.1.2.1 przedstawia procedurę backoff.

Rysunek 5.1.2.1 Procedura backoff ,[21]. Rysunek zapożyczony ze standardu


Można zaobserwować jak dekrementacja licznika BT stacji B jest zatrzymywana, gdy inne stacje uzyskują dostęp do medium. Odliczanie jest wznawiane za każdym razem kiedy kanał jest dostępny przez DIFS. Gdy licznik BT wreszcie osiągnie wartość 0 stacja B ma prawo dokonać transmisji ramki.

5.1.3 Mechanizm RTS/CTSIstnieje możliwość wystąpienia sytuacji, w której stacje w BSS nie będą widziały innych

w obrębie tej samej lokalizacji, BSA. Powodów takiego stanu rzeczy może być wiele, na przykład duży obszar BSS. Sytuacje takie prowadzą do kolizji transmisji (stacje A i B transmitują równocześnie dane do stacji C, a A i B nie „widzą” siebie nawzajem). Takie niepotrzebne konflikty w przypadku dużego rozmiaru MPDU w sieci, np. 2000 bajtów, przyczyniają się do zbytecznego marnowania zasobów.

W celu uporania się z wyżej wymienionym problemem został wprowadzony mechanizm ochrony transmisji, RTS/CTS. Opiera się on na rezerwacji kanału na potrzeby wysłania danych poprzez wymianę ramek RTS i CTS. Ramki te są relatywnie małe porównując ich rozmiar do maksymalnego MPDU (20 do 2340 bajtów).

Rysunek 5.1.3 Schemat RTS/CTS, [47].

Rysunek 5.1.3 ilustruje mechanizm komunikacji w celu rezerwacji czasu w dostępie do medium.

Ramka RTS najpierw transmitowana jest przez stację, po zakończeniu sukcesem procedury backoff. Wszystkie stacje w obrębie BSS odczytują z ramki RTS pole trwania transmisji i modyfikują swój wektor NAV. Końcowy odbiorca ramki RTS odpowiada na nią swoją ramką, CTS, po upłynięciu okresu SIFS. Stacje słyszące ramkę CTS znów patrzą w pole trwania transmisji zawarte w CTS i modyfikują swój wektor NAV. Po poprawnym odebraniu ramki stacja nadawcza posiada pewność, że jej transmisja nie zostanie zakłócona,[21], [37], [14]. Dzięki temu pozostałe stacje nie będące w zasięgu obu jednostek komunikujących się nie przerwą transmisji danych. Ten prosty mechanizm daje stacjom gwarancję braku zakłóceń transmisji przez inne jednostki.

5.1.4 Licznik powtórzeńWraz z sieciami WLAN zostały wprowadzone liczniki powtórzeń. Ich inkrementacja ma

miejsce w przypadku wystąpienia błędów podczas transmisji danych takich jak: brak potwierdzenia dla wysłanej ramki bądź przerwanie transmisji z nieznanych przyczyn.

Do uporania się z tymi problemami wykorzystywane są dwa liczniki powtórzeń:– SRC, którego wartość jest zwiększana w przypadku nieudanej transmisji ramki o rozmiarze


mniejszym od RTSThreshold* dla danej sieci. W przypadku osiągnięcia maksymalnej wartości SRC ramka jest porzucana, wartość domyślna to siedem,[37], [21].

– LRC, licznik dotyczący nieudanych prób transmisji ramek, których wielkość przewyższa wartość zmiennej RTSThreshold* dla danej sieci. Próby retransmisji są zaniechane w przypadku osiągnięcia maksymalnej wartości przez ten licznik, domyślna wartość to cztery.

Każda poprawnie zakończona transmisja resetuje liczniki do wartości zero, a osiągnięcie wartości maksymalnej skutkuje wysłaniem informacji do warstw wyższych z wiadomością o odrzuceniu ramki.

*RTSTreshold – atrybut wskazujący minimalną długość ramki dla której stosuje się mechanizm RTS/CTS, [21].

5.1.5 Fragmentacja w DCFStandard sieci bezprzewodowych pozwala także na fragmentację przesyłanych danych. Od

bywa się ona w przypadku konieczności transmisji dużych MSDU. Aby ustalić, czy konieczna jest fragmentacja, wielkość MSDU porównuje się z maksymalnym dopuszczalnym rozmiarem ramki, która może być przesłana bez tego mechanizmu. DCF zapewnia priorytet dla przesyłania ramek poddanych procesowi fragmentacji. Każdy z fragmentów, jeśli tylko został poprawnie potwierdzony, zostanie wysłany po upłynięciu czasu SIFS. Daje to kontrolę nad kanałem transmisyjnym dopóki nie zostaną przesłane wszystkie fragmenty.

5.1.6 Ograniczenia metody DCFDCF, będąc domyślną metodą dostępu do medium nie zapewnia żadnych gwarancji jakości

transmisji oprócz tzw. best effort – dostarczyć najlepiej jak to możliwe.W trybie pracy DCF każda ze stacji rywalizuje o dostęp do medium posiadając taki sam

priorytet, jedną kolejkę transmisyjną, jak pozostali. Nie ma żadnego mechanizmu dla zagwarantowania określonego poziomu przepustowości dla transmisji głosowych czy wideokonferencji.

Problem ten został bardzo dobrze zilustrowany w symulacji w pracy [47], gdzie zmienna liczba stacji została zlokalizowana w obrębie IBSS. Używają one trybu ad-hoc i każda jest w zasięgu pozostałych stacji. Ponadto nie występuje żadna stacja mobilna, przemieszczająca się.

Twórcy tego modelu zaobserwowali, że średnia przepustowość kanału jest w miarę stabilna w przypadku obciążenia sieci nie większego niż 70% całkowitej przepustowości (nie więcej niż 10 stacji). Kiedy jednak liczba stacji została zwiększona w znaczący sposób, to przepustowość poszczególnych przepływów zmalała w sposób drastyczny, z 70% do 40% (18 stacji). Zwiększyło się także opóźnienie aż do 420ms. Symulacja ta, zaprezentowana w [47] pokazała, że nie ma żadnego rozróżnienia ani różnych opóźnień dla aplikacji tego wymagających. Powodem jest to, że wszystkie przepływy powiązane z aplikacjami dzielą tą samą kolejkę.

Pokazano także, że dopóki nie zostanie zastosowana kontrola dostępu do medium, nie będzie można w ogóle osiągnąć jakiegokolwiek poziomu jakości transmisji innego niż best effort, [47].


5.2 PCFAby zapewnić aplikacjom wymagającym określonej jakości transmisji standard 802.11 defi

niuje funkcję koordynacji punktowej umożliwiając odmienny dostęp do medium niż wyżej przedstawiona funkcja DCF. W pewnym zakresie zarządzanie przez PCF może przypominać metodę token-ring, z żetonem przetrzymywanym centralnie przez punkt dostępowy. Dostęp do medium jest sterowany przez specjalną funkcję koordynatora punktowego (PC – ang. point coordinator) zintegrowanego z AP. Metoda ta zapewnia bardzo dużą kontrolę transmisji, jednakże poziom zapewnienia QoS nie jest satysfakcjonujący co zostanie przedstawione w dalszej części.

5.2.1 Zasada działaniaPCF, z definicji [21], to metoda synchroniczna, centralnego zarządzania medium. Zapewnia

mechanizm odpytywania stacji w trybie CFP. Zastosowanie jej jest tylko możliwe w przypadku występowania sieci bezprzewodowej opartej o działanie AP.

W mechanizmie dostępu do medium sterowanym przez PCF czas podzielony jest na tzw. super ramki, beacon interval, w skład w których wchodzą dwa odcinki czasowe: – CFP zarządzany przez PC, funkcję PCF,– CP zarządzany przez funkcję DCF.

Koniecznością zdefiniowaną w standardzie [21] jest posiadanie przez okno CP długości pozwalającej na przesłanie jednej MSDU.

Podczas CFP koordynator transmisji utrzymuje listę zarejestrowanych stacji, tzw. pooling list (rozdział 5.2.4) i daje możliwość transmisji poszczególnym STA w zależności od ich pozycji na liście. Żadna ze stacji działających pod jurysdykcją PC nie ma prawa sama zainicjować wysłania danych. Uzyskuje tylko taką możliwość w przypadku otrzymania specyficznej ramki CF-Poll.

Metoda zarządzania, oprócz występowania dwóch okien transmisyjnych, opiera się także na rozsyłaniu, tzw. beacon frame na początku każdej CFP. Zostało to przedstawione bardziej szczegółowo w 5.2.2.

Rysunek 5.2.1 przedstawia jedną super ramkę cyklicznie występującą w PCF. CFP jako okno opcjonalne nie występuje w sytuacji braku stacji żądających transmisji w trybie gwarancji dostępu.

Rysunek 5.2.1 PCF – prezentacja jednego interwału beacon.


5.2.2 Synchronizacja, ramka beaconSynchronizacja w WLAN odgrywa znaczącą rolę w poprawnym działaniu sieci. Odbywa się

przy udziale funkcji synchronizacji TSF, która jest ściśle powiązana z ramką beacon, zarządzającą, spełniającą oprócz funkcji synchronizacji także inne powiązane z działaniem WLAN. Dostarcza parametry związane z protokołem transmisji, [43]:– BSSID,– następne TBTT,– parametry warstwy fizycznej, zależne od wykorzystywanego standardu,– czas trwania CFP tzw. CFPMaxDuration,– dostępne kanały transmisyjne i limity mocy sygnału po których medium uznane jest za zajęte.

Transmisja tej ramki odbywa się okresowo. Dzięki temu każda z STA może oszacować, na podstawie TBTT, kiedy spodziewać się następnej. Czas wystąpienia kolejnych ramek beacon jest ogłaszany przy poprzedniej, ale sam proces jej wysłania również podlega procedurze dostępu do medium.

Ponadto zadbano o zachowanie wysokiego priorytetu ramek zarządzających. W tym celu stacje zaprzestają inicjacji nowych sekwencji wymiany danych, jeśli zbliża się TBTT. Niestety, ale ramki, które już zostały wysłane np. oczekują na potwierdzenie bądź muszą zostać retransmitowane z powodu błędów transmisji, mogą doprowadzić do opóźnienia wystąpienia TBTT.

W przypadku funkcji PCF bardzo ważną rolę spełnia pole CFPMaxDuration. Dzięki niemu wszystkie STA w obrębie BSS, które odebrały ramkę beacon, są zobligowane do ustawienia własnego NAV w celu zablokowania na tenże czas możliwości dostępu do medium bazując na działaniu funkcji DCF.

Poza zapobieganiem inicjacji transmisji przez stację istnieje też drugi mechanizm nadający wyższy priorytet transmisjom ramki beacon. Wysyłana jest, gdy medium było wolne, po upłynięciu czasu PIFS i bez przechodzenia do procedury backoff. Dzięki temu mechanizmowi, PC uzyskuje dostęp do kanału szybciej niż jakakolwiek STA, [21].

5.2.3 Transmisja danych z punktu dostępowegoPełną kontrolę nad transmisjami podczas CFP zapewniają opisane w 4.2.2 przedziały czaso

we IFS. Wprowadzony wraz z PCF, interwał PIFS, pozwala PC na odzyskanie dostępu do medium w przypadku, gdy stacja posiadająca okazję transmisji danych nie odpowie bądź medium było wolne przez ten okres czasu.

Podczas trwania CFP tzw. PC, zazwyczaj umiejscowiony razem z AP, ma do spełnienia kilka zadań, które okazują się istotne przy prawidłowym funkcjonowaniu algorytmu. Oprócz standardowej funkcji wysyłania buforowanych danych, rozsyłania potwierdzeń do stacji, odpowiada także za rozsyłanie ramek zarządzających, a także dających możliwość transmisji stacjom znajdującym się w obrębie BSS. W celu optymalizacji wykorzystania okresu CFP każdy z tych typów może zostać połączony w jeden, aby zapewnić oszczędność.

Koordynator transmisji może wykorzystać jedną ramkę do: odesłania potwierdzenia do nadawcy, wysłania ramki zarządzającej i wysłania zapytania w kierunku kolejnej stacji o jej buforowane dane. W tym celu PC używa kilku typów ramek podczas CFP (przedstawiam tylko te najważniejsze, wszystkie znajdują się w dokumencie [14]):

CF-POLL - ramka wysyłana przez zarządcę PC do stacji, aby dać prawo do transmisji pojedynczej ramki. Transmitowana, kiedy koordynator transmisji nie dokonuje żadnych czynności powiązanych z aktywnością innych stacji w sieci i nie jest zobligowany do rozsyłania ramek zarządzających.


CF-END - ramka ta kończy okres CFP i zwraca zarządzanie medium mechanizmowi DCF. PC może także w każdym momencie zakończyć CFP, a podjęcie takiej decyzji może bazować na obciążeniu sieci, liście stacji żądających transmisji itp.

Jeśli ustalone wcześniej reguły transmisji pozwalają na transmisję określonego typu ramki, AP może dokonać tejże czynności.

5.2.4 Polling list Do jednych z ważniejszych zadań PC należy przechowywanie listy stacji tzw. polling list,

utrzymywanej na potrzeby obsługi przez koordynatora transmisji ramek przychodzących/wychodzących do STA, [21]. Wszystkie jednostki na tej liście są uporządkowane rosnąco według przydzielonego numeru AID. STA może zażądać umiejscowienia w spisie, bądź nie, w momencie wykonywania procedury przyłączania się do sieci bezprzewodowej WLAN (asocjacja/reasocjacja). Chęć znalezienia się na tej liście jest sygnalizowana poprzez ustawienie sekwencji bitów w polu CIF w ramce asocjacji. Dzięki temu mechanizmowi stacja informuje PC o chęci brania udziału podczas CFP, czyli gwarancji transmisyjnej.

Jednak może się zdarzyć sytuacja, w której STA nie zasygnalizuje chęci obecności na liście podczas asocjacji. Jej późniejsze umiejscowienie w wykazie jest możliwe tylko w przypadku, gdy STA podczas procedury przyłączania nie zastrzegła, iż nie może znaleźć się na tej liście, [21].

Dzięki pooling list PC posiada pełną kontrolę nad sposobem transmisji. Koordynator posiadając dostępny interwał czasu podczas CFP i chcąc zainicjować transmisję wysyła do STA ramkę CF-POLL dając jej możliwość wysłania danych. Przemieszcza się po liście w sposób sekwencyjny przydzielając okazje transmisyjne kolejnym stacjom z listy.

W przypadku, kiedy wszystkie jednostki z listy dostały możliwość transmisji i nie mają już żadnych danych oczekujących, a czas przeznaczony na CFP nie został całkowicie wykorzystany to pozwala koordynatorowi, PC, na podjęcie decyzji o kolejnej czynności w zależności od całkowitego, dotychczasowego obciążenia sieci i ilości istniejących stacji. Przykładowo może:– wygenerować ramkę CF-Poll do jakiejkolwiek ze stacji,– rozsyłać ramki zarządzające,– zakończyć okno CFP.

5.2.5 Ograniczenia PCFPCF to metoda opcjonalna w standardzie 802.11. Niewielka grupa dostawców internetu de

cyduje się na jej implementację z powodu jej dużych ograniczeń. Stworzenie systemu opierającego swoje działanie na PCF nie należy do rzeczy skomplikowanych jednakże istnieją pewne problemy podczas jej działania, które sprawiają, że nie jest popularna ,takie jak, [21], [46], [47]:

a) centralny model zarządzania ruchem – stanowi problem w przypadku komunikacji pomiędzy STA w obrębie BSS. Niestety, ale PCF nie przewiduje możliwości bezpośredniego połączenia. Stąd wszystkie wiadomości wymieniane pomiędzy STA muszą być przesyłanew sposób scentralizowany przy wykorzystaniu PC. W przypadku, gdy wiele stacji w obrębie jednego BSS będzie chciało dokonywać transmisji, marnowanych będzie dużo zasobów.

b) koegzystencja CFP i CP - może się zdarzyć taka sytuacja, w której stacja uzyska dostęp do kanału w trakcie zarządzania nim przez DCF, rozpocznie transmisję i będzie trwać dłużej niż pozostały czas dla CP. Prócz czasu koniecznego na dokończenie transmisji PC musi także odczekać czas PIFS przed dokonaniem transmisji ramki zarządzającej. Spowoduje to


skrócenie, CFP jak i całej super ramki. Niesie to ze sobą konsekwencje w postaci zmniejszenia poziomu jakości świadczonych usług.

c) nie do końca kontrolowany czas transmisji dla STA. Stacja mająca prawo przyznane przez PC może wysłać jednorazowo ramkę , która jeśli nie mieści się w dopuszczalnej wielkości zostanie poddana fragmentacji. Stąd okres transmisji ramki MSDU nie jest pod kontrolą PC.

d) problem ukrytej stacji, która może nie otrzymać ramki zarządzającej, np. z powodu zakłóceń bądź przeszkód naziemnych. Nie będzie ona wstanie dostosować się do obowiązujących zasad i nadal będzie działać w trybie rywalizacji o kanał DCF. Może to spowodować różnorakie błędy w transmisji uniemożliwiając regularne wysyłanie ramki beacon.


6. Klasyfikacja metod QoS w sieciach WLANZaproponowano inne rozszerzenia dające możliwość gwarancji QoS, oprócz metod podsta

wowych standardu 802.11, opierające się na dodaniu rozróżniania usług na poziomie warstwy MAC. Zostało to uzyskane dzięki dodaniu grupy parametrów odpowiadających sposobom gwarancji dla stacji dostępu do medium. Klasyfikacja tych funkcji odbywa się na podstawie ich zależności i podobieństw do działania funkcji podstawowych z standardu 802.11. Niestety większość z nich nie jest ogólnie dostępna i ich implementacji nie znajdziemy w istniejących rzeczywistych sieciach bezprzewodowych WLAN. Z wyjątkiem funkcji powiązanych bezpośrednio z standardem 802.11e popularność pozostałych jest niewielka i w większości przypadków nie wychodzi poza akademickie rozważania.

Rozszerzenia QoS dla sieci bezprzewodowych WLANBazujące na DCF Bazujące na PCFAC, rozdział 8.1 FHCF, rozdział 9.2

DFC, rozdział 8.4 Robust SuperPoll, rozdział 9.1VMAC, rozdział 8.5 802.11e HCCA, rozdział 7.3

BlackBurst, rozdział 8.2802.11e EDCA, rozdział 7.2

AEDCA, rozdział 8.6JDRC/DC, rozdział 8.3

Tabela 6.1 Klasyfikacja metod QoS bazujących na PCF i DCF.


7. 802.11ePodstawowy, obligatoryjny w implementacji, mechanizm kontroli łącza zaproponowany

w standardzie 802.11 nie potrafi rozróżniać przepływów danych poszczególnych stacji, [21], [46], [47]. Oznacza to brak specjalnego traktowania dla transmisji w trybie rzeczywistym, gdzie małe opóźnienia i określona przepustowość kanału odgrywają kluczową rolę (ruch nie wymagający specjalnego traktowania może zablokować naszą transmisję video czy audio niszcząc przyjemnośćz użytkowania sieci bezprzewodowych WLAN).

Intensywne prace naukowe mające na celu zapewnienie QoS w sieciach WLAN doprowadziły do powstania standardu 802.11e. Ma on za zadanie rozszerzyć możliwości wszystkich warstw fizycznych standardów 802.11b, 802.11g,802.11a, pozwalając im na dostarczanie danych z zapewnieniem jakości transmisji.

Rozdział przedstawia nowe metody zapewnienia QoS z standardu 802.11e. Omówione zostaną także rozszerzenia, które pozwalają w lepszy sposób wykorzystać czas dostępu do medium przez stację, [21], [46], [47], [50], [57].

7.1 HCFHCF jest mechanizmem, który ma zapewnić na poziomie warstwy MAC gwarancję jakości

transmisji tzw. QoS. Metoda przypomina w swoim działaniu PCF z pewnymi różnicami, które później zostaną zaprezentowane.

Mechanizm ten jest wstecznie kompatybilny z podstawowymi metodami standardu 802.11i składa się z dwóch zależnych od siebie funkcji:– EDCA będąca rozszerzeniem podstawowej metody DCF, używana tylko podczas CP,– HCCA gwarantująca dostęp do medium w trybie CF, stosowana podczas obu okien transmisji

CFP i CP.Obie zostały opisane szczegółowo w podrozdziałach 7.2 i 7.3.

Istotną cechą HCF jest wprowadzenie dwóch rodzajów kolejek w warstwie MAC:– kategorii dostępu tzw. AC - wykorzystywane głównie przez EDCA,– ruchu strumieniowego tzw. TS - negocjowane pomiędzy STA a AP przy działaniu HCCA.

Są od siebie niezależne i używają różnych przestrzeni. Spełniają ważną funkcję przy odzwierciedlaniu priorytetów wyższych warstw na ramki danych.

Ramka docierająca do warstwy MAC, jest oznakowana przez identyfikator ruchu, tzw. TID, (pole kontrolne jakości usług w ramce) oddający wymagania QoS. TID może przyjmować wartości z zakresu 0-15. Ramki z wartością identyfikatora z zakresu [0,7] są mapowane na kolejki AC używając reguł EDCA, a z wartościami [8,15] na TS używając reguł HCCA. Powodem odseparowania kolejek jest zapewnienie priorytetowego QoS w AC a parametrycznego w TS.

7.1.1 TXOPTXOP jest nowym elementem w WLAN wprowadzonym wraz z funkcją HCF. Odnosi się

do czasu, w którym dana stacja (QSTA) posiada prawo do transmisji ramki danych. Może przyjąć dwie nazwy w zależności od momentu w którym została przyznana:– EDCA-TXOP, jeśli została uzyskana podczas rywalizacji o kanał w EDCA,– HCCA-TXOP, jeśli została uzyskana poprzez odbiór ramki QoS-CF-POLL od QAP.

Zapewnienie ograniczonego czasu dostępu do medium jest priorytetem w działaniu HCF,[47], [48], stąd TXOP ogranicza wartość TXOPLimit ustalaną przez QAP na podstawie przepusto


wości i rodzaju warstwy fizycznej. Rozwiązuje to problem zbyt długich transmisji i występujących z tego powodu opóźnień.

Istotny jest sposób przydziału TXOP podczas CP. Każda z TXOP rozpoczyna się kiedy medium jest dostępne w myśl reguł EDCA (rozdział 7.2) bądź kiedy stacja otrzyma specjalną ramkę (polled-TXOP). Ramka ta może zostać wysłana po upłynięciu czasu PIFS, przez zarządcę HCCA, bez konieczności przechodzenia do procedury backoff.

Sposób przydziału TXOP podczas HCCA jest analogiczny jak podczas działania PCF.

7.1.2 Traffic stream Wraz z koniecznością zapewnienia QoS zostały także zwiększone wymagania stawiane

przez twórcami sieci. Wprowadzone zostały tzw. TS charakteryzowane przez TSID, które są wykorzystywane przez stacje w obrębie QBSS do dostarczania, klasyfikacji MSDU w celu zapewnienia żądanego poziomu QoS, [21], [46], [47], [37].

Każda ze stacji w obrębie QBSS musi być wstanie obsługiwać do ośmiu TS związanych bezpośrednio z HC i ośmiu połączonych bezpośrednio z inną stacją. Z kolejką ruchu powiązana jest specyfikacja tzw. TSPEC, ustalana pomiędzy QSTA a QAP. Ma to zagwarantować QSTA wymagany odpowiedni poziom usług.

TSPEC opisuje parametry QoS, wymagane przez TS, takie jak:– możliwe opóźnienia w transmisji,– konieczna przepustowość kanału,– maksymalny rozmiar ramki MSDU,– maksymalny RSI odnoszący się do czasu pomiędzy kolejnymi, następującymi po sobie TXOP,

które aplikacja skojarzona z TS jest w stanie zaakceptować.

Żądanie TSPEC jest wysyłane przez QSTA do punktu dostępowego w celu ustalenia wymagań transmisji (zostało to opisane w 7.1.3).

Oprócz TSPEC istotną rolę pełni TCLASS, używane pomiędzy warstwą MAC modelu 802.11e a wyższymi warstwami. Pozwala na klasyfikację poszczególnych ramek, MSDU, na TSPEC przy użyciu identyfikatora priorytetów, TSID.

7.1.3 HCF algorytm kolejkowania, harmonogramowaniaW HCF został zaproponowany nowy mechanizm planowania ruchu w obrębie BSS zapew

niający wsparcie dla priorytetowego ruchu QoS w oparciu o kontrakt pomiędzy QSTA a QAP. Jego podstawą jest konieczność ustanowienia TS pomiędzy QAP a STA przed jakąkolwiek transmisją danych. Wykorzystywany jest podczas dostępu do medium w myśl HCCA, [2], [47], [21].

W celu stworzenia połączenia TS, QSTA jest zobligowana do wysłania do QAP ramki, ADDTS-QoS, zawierającej odpowiadającą, pożądaną specyfikację ruchu tzw. TSPEC.

QAP może zaakceptować bądź odrzucić prośbę utworzenia połączenia bazując na obciążeniu sieci. Procedura ta opiera się na oszacowaniu całkowitego czasu przeznaczonego dla HCCA, aktualnych przydziałów TXOP i żądanego czasu TXOP przez TS odpowiadającego określonej QSTA tzw. RSI.

Udowodniono, że istnieje powiązanie pomiędzy RSI a minimalnym dopuszczalnym opóźnieniem dla TS. W rezultacie standard 802.11e sugeruje następującą procedurę:

Jeśli w ramce opisującej TSPEC zostały zdefiniowane RSI i żądane odległości pomiędzy kolejnymi TXOP, to algorytm kolejkowania jest zobligowany tylko do wykorzystania wartości RSI, aby

rozplanować TXOP dla określonej TS.


Algorytm działania przebiega następująco:1) po odebraniu wszystkich żądań z TSPEC, QAP ustala minimalną wartość z wszystkich RSI

żądanych przez poszczególne TS, 2) wybiera wartość największego dzielnika długości super ramki (ang. beacon interval) jako

wybrany SI, którego wartość jest mniejsza niż minimalna z wszystkich RSI,3) super ramka zostaje podzielona na kilka SI i poszczególne QSTA dostaną odpowiednio moż

liwość transmisji podczas wybranego SI (odnosi się do czasów rozpoczęcia następujących po sobie TXOP alokowanych dla QSTA, który jest taki sam dla wszystkich),

4) jeśli SI został już ustalony, to algorytm planowania skojarzony z QAP (ang. QAP scheduler) przelicza TXOP przydzielone dla różnych klas ruchu,

5) QAP scheduler sumuje wszystkie wartości TXOP poszczególnych, aktywnych TS dla QSTA,

6) QAP scheduler przydziela wybranej QSTA przedział czasu będący sumą z pkt 5) i tym samym pozwala stacji na wielokrotną transmisję ramek podczas tego czasu.

Algorytm ten ma na celu kontrolowanie opóźnień, które mogą wystąpić podczas transmisji. Działa bardzo dobrze w przypadku ruchu CBR. [2], [47].


7.2 EDCAFunkcja umożliwiająca dostęp do medium w trybie rywalizacji. Jest częścią HCF i nie może

występować jako samodzielna funkcja koordynacji transmisji. Jej głównym zadaniem jest rozszerzenie DCF o mechanizmy umożliwiające zapewnienie jakości transmisji poprzez wprowadzenie kilku dodatkowych funkcjonalności opisanych w dalszej części, [21].

7.2.1 Zasada działaniaEDCA pozwala na zdefiniowanie po stronie stacji czterech kolejek AC pozwalających od

wzorować priorytety użytkownika (ang. user priorities) w warstwie MAC, [6], [21].W każdej stacji mobilnej jeden bądź więcej priorytetów użytkownika zostaje przyporządko

wanych do AC.

Rysunek 7.2.1.1 EDCA a DCF.

Jak zostało określone w 802.11e pakiety docierające z wyżej położonych warstw z określonym UP powinny zostać mapowane na kolejki AC. Każda z kolejek dostępu zachowuje się jak pojedyncza stacja wirtualna, rywalizująca z pozostałymi o TXOP, wykorzystując rozszerzoną funkcję DCF (EDCAF). Posiada także własne parametry (CW, CWmin, CWmax, AIFSN) używane dla procedury backoff. Pozwala to na rozróżnienie kolejek i zapewnienie im dostępu priorytetowego do medium (krótsze CW- wysoko priorytetowa AC, dłuższe CW – nisko priorytetowa AC). Niestety, ale również tu powstaje problem wystąpienia kolizji po stronie stacji kiedy liczniki dwóch różnych kolejek osiągną wartość zero w tej samej chwili. Na potrzeby rozwiązania tego problemu została zaimplementowana metoda planowania. Pozwala uniknąć wirtualnych kolizji dając możliwość transmisji kolejce AC posiadającej wyższy priorytet. W tym samym czasie kolejka posiadająca niższy priorytet zachowuje się tak, jakby wystąpiła kolizja zewnętrzna w dostępie do medium, rozpoczyna na nowo procedurę backoff.

Niestety EDCA zapewnia tylko mechanizm do wykrywania wewnętrznych kolizji pomiędzy wirtualnymi stacjami, dlatego globalne zderzenia transmisji są nadal wysoce prawdopodobne. Rysunek 7.2.1.1 prezentuje funkcję EDCA w porównaniu z standardową funkcją DCF.


Tabela przedstawia odwzorowanie priorytetów na kolejki ACPriorytety Priorytety użyt

kownika Oznaczenie przez 802.1D

AC Oznaczenie(informacja)

Najniższy

Najwyższy

1 BK AC_BK Procesy tła

2 - AC_BK Procesy tła

0 BE AC_BE Najlepiej jak się da

3 EE AC_BE Najlepiej jak się da

4 CL AC_VI obraz

5 VI AC_VI obraz

6 VO AC_VO dźwięk

7 NC AC_VO dźwiękTabela 7.2.1 Odwzorowanie priorytetów na kolejki AC.

Można zaobserwować, że więcej niż jeden priorytet jest odwzorowany na jedną kategorię AC. Powodem jest to, że rzadko zdarza się sytuacja kiedy osiem różnych aplikacji dokonuje transmisji ramek równocześnie.

Krótka charakterystyka poszczególnych kolejekAC Krótka charakterystyka AC_VO Najwyższy priorytet, pozwala na wiele konkurencyjnych rozmów VoIP zapewniając

małe opóźnienie i wysoką jakość. AC_VI Priorytetowa transmisja strumieniowa.

W zależności od warstwy PHY WLAN może wspierać 1 HDTV bądź 3-4 SDTV.AC_BE Niski priorytet. Ruch nie wymagający znacznego QoS, dotknięty długimi opóźnie

niami (użytkowanie internetu).AC_BK Nisko priorytetowy ruch tj. ściąganie plików, który nie ma wymagań odnośnie prze

pustowości czy opóźnień. Tabela 7.2.2 Charakterystyka poszczególnych kolejek AC.

Oprócz rozróżniania AC na podstawie ich parametrów istnieje też inna metoda bazująca na odstępach czasowych IFS. W tym celu w funkcja EDCA definiuje nowy przedział czasu AIFS. Pozwala on na przypisanie do poszczególnych kolejek różnych czasów oczekiwania przed przejściem do mechanizmu rywalizacji według wzoru, [21]: AIFS[AC] = , gdzie 2≤AIFSN [ AC ]≤10 i oznacza ilość SlotTime jakie każda z kolejek ruchu stacji jest zobligowana odczekać przed próbą dokonania transmisji. Podrozdział 7.2.2 prezentuje domyślne parametry EDCA.

Rysunek 7.2.1.2 Działanie EDCA i prezentacja AIFS[AC], [34].


SIFSSlotTimeACAIFSN +⋅][

Kolejka AC o największym priorytecie posiada najmniejszy czas AIFS. Im mniejszy priorytet kolejki tym długość interwału jest większa.

7.2.2 EDCA a procedura backoffProcedura ta wywoływana jest w momencie przejścia do trybu rywalizacji o dostęp do me

dium, algorytm jej działania został opisany wraz z funkcją DCF, [21].W przypadku EDCA każda AC działa niezależnie i jest zarządzana poprzez EDCAF. Dla

każdej z tych kolejek jest także wywoływana procedura backoff przed inicjacją transmisji oczekujących danych. Każda z EDCAF ma za zadanie utrzymywać zmienną CW[AC], która powinna zostać zainicjowana wartością parametru CWmin[AC].

Procedura backoff powinna zostać wywołana dla EDCAF w przypadku zaistnienia jednego z poniższych zdarzeń:

a) wystąpiła prośba transmisji ramki z określonej kolejki AC, medium jest zajęte, a wynika toz mechanizmu CS, a licznik BT osiągnął wartość zero dla danej AC,

b) ostatnia transmisja ramki przez stację posiadającą TXOP zakończyła się sukcesem dla danej kolejki AC,

c) transmisja ramki z określonej AC zakończyła się niepowodzeniem, d) próba transmisji z określonej kolejki zakończyła się fiaskiem z powodu wewnętrznej kolizji

w obrębie stacji z innym EDCAF posiadającym wyższy priorytet.

W zależności z jakich przyczyn została zainicjowana procedura backoff wartości CW[AC]i CWmin[AC] zmieniają się następująco:sytuacja a) - wartość CW[AC] pozostaje niezmieniona,sytuacja b) - wartość CW[AC] zostaje zresetowana do wartości CWmin[AC].

Jeśli procedura backoff została zainicjowana w wyniku wystąpienia przypadków c) bądź d) wartość CW[AC] powinna zostać zmieniona przed jej inicjacją wg. schematu:– jeśli wartość CW[AC] jest mniejsza niż Cwmax[AC], to CW[AC] powinna zostać ustawiona na

wartość (CW[AC] + 1) *2 – 1,– jeśli wartość CW[AC] jest równa CWmax[AC], to CW[AC] powinna pozostać niezmieniona

dla wszystkich pozostałych prób transmisji.Początkowa wartość BT jest ustalana z przedziału [1, CW[AC]+1].

7.2.3 Domyślne parametry EDCA Tabela 7.2.3 przedstawia domyślne rekomendowane przez grupę 802.11 parametry dla funk

cji EDCA.

AC CWmin (wartość) CWmax (wartość) TXOPLimit AIFSN AIFS Najszybszy dostęp PF

0 CWmin (31) CWmax (1023) 0ms 7 DIFS DIFS+SlotTime 32/16 =2

1 CWmin (31) CWmax (1023) 1.5ms 3 DIFS DIFS+SlotTime 32/16 =2

2 (CWmin-1) / 2-1 (15) CWmin (31) 6.6016ms 2 PIFS PIFS+SlotTime 32/16 =2

3 (CWmin+1) / 4-1 (7) (CWmin-1)/2-1 (15) 3.264ms 2 PIFS PIFS+SlotTime 32/16 =2

Tabela 7.2.3 Domyślne parametry EDCA zdefiniowane przez 802.11e[37]. Wartości CWmin, CWmax, TXOPLimit są zależne od rodzaju wykorzystywanej warstwy fizycznej


7.2.4 PF a poprawa QoS przy ACPF dotyczy zwiększania rozmiaru CW po nieudanych próbach transmisji. Nie jest załączony

w standardzie 802.11e, ale może pełnić bardzo istotną rolę w celu zapewnienia QoS, [37]. Zaproponowano, aby stacje używały zmiennej PF[AC], dla poszczególnych kolejek AC, do zwiększania swojego CW. Nie podwajają jej po każdej nieudanej transmisji, ale CW jest liczone według wzoru: CW[i]= min (CWmax[AC], ( CWmin[AC] +1) PF[AC]i-1-1)

PF pomaga zagwarantować jakość transmisji w środowiskach, gdzie istnieje duże prawdopodobieństwo wystąpienia kolizji. Umożliwia to kolejkom o wysokim priorytecie, w przypadku poprzednio nieudanej transmisji, uzyskać dostęp do kanału wcześniej niż innym, [37].

7.2.5 Dynamiczne CW w EDCAW pracy [18] poświęconej QoS w sieciach WLAN zostało zaproponowane rozszerzenie dla

CW mające na celu zapewnienie lepszej jakości transmisji, DCW.Algorytm opiera się na dynamicznym przydzielaniu i zmianie wielkości CW poszczegól

nych AC w przypadku kiedy któraś z kolejek nie posiada danych do transmisji. Autorzy zaproponowali zamianę miejscami kolejki o wysokim priorytecie z następującą po niej, w przypadku braku ramek do transmisji w tej pierwszej.

Procedura jest następująca:– najpierw pozostały czas z beacon interval jest obliczany dla początku ramki w kolejce o niż

szym priorytecie co pozwala na proporcjonalne ustalenie czasu, który już upłynął w kolejceo wysokim priorytecie,

– CW kolejki o niskim priorytecie jest obliczane na nowo odnosząc się do klasy ruchu o wysokim priorytecie.

W zaprezentowanych symulacjach autorzy pokazali [18], że DCW zmniejsza opóźnieniaw transmisjach dla wszystkich stacji, a także poprawia QoS dla różnych AC w porównaniu z standardem 802.11e.

7.2.6 Multitransmisja ramek w EDCAEDCA pozwala na transmisję ramek pod rząd po uzyskaniu EDCA-TXOP bez konieczności

kolejnej rywalizacji o medium, [21]. Przesyłane ramki muszą znajdować się w kolejce AC dla której został uzyskany czas (możliwość wielokrotnej transmisji ramek przyznaje się dla EDCAF, a każda kolejka posiada własną funkcję sterującą). Ramki oczekujące na transmisję w innych AC nie mogą zostać przesłane w tym TXOP. Jeśli stacja posiada kolejne ramki do transmisji i szacunkowy czas potrzebny na tą transmisję mieści się w pozostałym EDCA-TXOP, to stacja może rozpocząć kolejną transmisję po upłynięciu czasu SIFS.

Stacja, która chce dokonać multiemisji ramek musi oznaczyć ramkę ustalając wartośćw polu „czas trwania” (ang. duration) na jedną z dwóch:– wystarczająco długą, aby pozwolić na transmisję ramki, odpowiedzi, następnej ramki i znów

odpowiedzi,– wystarczająco długą, aby pozwolić na szybką transmisję MPDUs w czasie TXOPLimit.

Pozostałe stacje słyszące transmisję są zobligowane, na podstawie pola duration, na modyfikacje swojego wektora NAV. Jednakże multitransmisja może wprowadzić duże opóźnienia, stąd należy nałożyć ograniczenia na TXOP, które nie powinno być większe niż czas potrzebny do transmisji największej, możliwej w QBSS ramki danych.


7.2.7 Retransmisja ramek w EDCAProcedura retransmisji ramek w przypadku wystąpienia kolizji przebiega w analogiczny

sposób, jak w przypadku DCF, opisana w rozdziale 5. Wraz z EDCA zostały wprowadzone różne kolejki ruchu, stąd dla każdej z nich utrzymywane są parametry SRC[AC] i LRC[AC]. Także tu liczniki są zwiększane w przypadku wystąpienia kolizji. Istotną różnicą jest utrzymanie dla poszczególnych kolejek innych wartości maksymalnych liczników SRC i LRC, [21].

7.2.8 Czas życia ramki w kolejce a QoSWraz z standardem 802.11e jest także zdefiniowana zmienna przechowująca maksymalną war

tość „życia” ramki w kolejce AC, [45]. Definiuje ona czas, jaki może ona pozostawać w MAC przed wysłaniem. Osiągnięcie maksymalnej wartości przez tą zmienną skutkuje odrzuceniem ramki bez dokonania prób transmisji. Mechanizm jest bardzo przydatny w przypadku transmisji czasu rzeczywistego jak VoIP czy video. W przypadku tych przepływów danych największe znaczenie ma ciągłość transmisji. Ramka, która miałaby zostać wysłana zbyt późno w rzeczywistości nie ma już większego znaczenia, gdyż użytkownik mógł i tak już zauważyć zniekształcenia transmisji wywołane przez jej brak. Stąd mechanizm pozwala na niewysyłanie danych w eter, gdy są one już praktycznie niepotrzebne, [21].


7.3 HCCAHCCA jest mechanizmem zapewniającym kontrolę jakości transmisji zaproponowanym

przez grupę 802.11e. Opiera się na centralnym module zarządzania, HC, współistniejącym wrazz QAP, [21], [47], [48], [37].

7.3.1 Zasada działaniaTransmisja inicjowana przez HC i przydział TXOP może odbywać się zarówno podczas CP

jak i opcjonalnie generowanego okna CFP. Pozwala to w lepszy sposób spełnić wymagania w zakresie zapewnienia jakości świadczonej transmisji. Jest to głównie spowodowane tym, że okresy braku współzawodnictwa o medium są generowane na podstawie wiedzy HC o ilości pakietów oczekujących transmisji w poszczególnych TC bądź TS.

Metoda ta mimo wyraźnego ukierunkowania na stacje wymagające zapewnienia QoS może także obsługiwać stacje standardowe (STA). Jednakże wykorzystywanie tej funkcjonalności nie jest zalecane, [21]. Punkty dostępowe, QAP, zapewniające możliwość rozsyłania ramek non-QoS CF-POLL są uważane za zbyt kompleksowe i mniej wydajne niż wyspecyfikowanie dla PCF czy HCF. W dodatku możliwa do osiągnięcia jakość transmisji może drastycznie spaść, gdy stacje typu non-QoS STA są powiązane z QAP i będą miały możliwość transmisji, [47].

Istotną cechą HCCA jest rozwiązanie problemów z PCF przedstawionych w 5.2.4 takich jak:• bezpośrednie połączenie pomiędzy dwoma stacjami jest dopuszczalne i stacje mogą komuniko

wać się bez transmisji pakietów z wykorzystaniem QAP, • stacja zgodna z 802.11e nie może dokonać transmisji pakietu, jeśli przewidywana transmisja

ramki nie zakończy się przed kolejną edycją ramki zarządzającej. Rozwiązuje to problem opóźnień w rozpoczęciu CFP,

• TXOPLimit jest używany, aby ograniczyć czas dostępu do medium stacji posiadającej go podczas CFP bądź CP,

• pole „duration” używane podczas wymiany ramek QoS rezerwuje medium na okres dłuższy,o SlotTime, niż jest potrzebny na wymianę danych. Ten „ekstra” czas pozwala HC na inicjację kolejnej transmisji TXOP z mniejszym ryzykiem wystąpienia kolizji, [7].

Rysunek 7.3 pokazuje jedną super ramkę oraz jej możliwości.

Rysunek 7.3 Interwał beacon,[21]. Rysunek zapożyczony ze standardu.


7.3.2 CAP, CCI, CC, CCOPCAP, mechanizm wprowadzony w celu zapewnienia funkcji HCCA możliwości przydziela

nia TXOP także podczas CP, zarządzanego przez EDCA, [46] (czas niewykorzystany przez HCCA pozostaje pod rządami mechanizmu rywalizacji). Poszczególne CAP rozpoczynają się w momencie żądań dostępu przez HC. Przejęcie kontroli nad kanałem podczas CP, generowanie CAP, odbywa się na standardowych zasadach z wykorzystaniem czasu IFS. Dostępność medium przez czas PIFS pozwala HC na wysłanie ramki beacon. Jest to pierwsza jednostka danych, której wysłanie zwiastuje rozpoczęcie CAP. Po niej dopiero następuje faktyczna transmisja danych przez stację, która otrzymała TXOP. Jej przydział odbywa się na podstawie wiedzy HC na temat stanu kolejek ACw stacjach (rysunek 7.3.1 pokazuje zależność CAP/CFP/CP podczas trwania jednej super ramki).

Rysunek 7.3.1 CAP/CFP/CP, zależności, [21]. Rysunek zapożyczony z standardu.

Okres CAP kończy się, kiedy HC nie odbierze znów kontroli nad kanałem transmisyjnym po upłynięciu TXOP dla stacji i interwału PIFS.

Podczas CAP mogą także występować odcinki czasu, CCI, sterowane protokołem dostępu, CC, dającym możliwość HC wyboru, które stacje mają dostać możliwość transmisji, w którym momencie i na jak długo. Inicjacja okresu CCI rozpoczyna się w momencie wysłania przez zarządcę ruchu ramki CC po której odbiorze stacje mają możliwość wysłania żądań odnośnie TXOP transmitując do HC ramkę RR (transmisja ta odbywa się bez konieczności rywalizacji o dostęp z stacjami działającymi w trybie funkcji EDCA bądź DCF). Ponadto ramka CC definiuje liczbę CCOP (krótki interwał czasowy oddzielony interwałem SIFS) i maskę filtrującą zawierającą klasy ruchu dla których RR może zostać umiejscowione. Każda ze stacji z ruchem oczekującym w AC, a odpowiadającym masce filtrującej, wybiera jeden interwał CCOP i transmituje ramkę RR zawierającą jej kolejkę i pożądaną długość TXOP. Ramki RR są transmitowane po losowo wybranym interwale czasowym bez rywalizacji, dlatego istnieje możliwość wystąpienia kolizji, jeśli dwie lub więcej stacji wybierze ten sam czas. Aby szybko rozwiązać problem kolizyjności, HC potwierdza ramki RR poprzez generację ramki kontrolnej z polem informacyjnym, po którym stacje żądające transmisji są wstanie wykryć kolizję podczas CCI. Po zakończonej sukcesem operacji odbioru ramki każda z stacji, działająca w trybie EDCA bądź DCF, ma za zadanie zaktualizować swój wektor NAV, aby nie doszło do próby zakłócenia transmisji podczas CCI, [14], [46].

CC, CCI, CCOP nie są elementami załączonymi w standardzie, ale w znaczny sposób poprawiają skuteczność kontroli opóźnień, [37].


7.3.3 CFBMechanizm zastosowany w celu polepszenia wyników i osiągnięcia lepszej utylizacji me

dium zarządzanego przez HCF. Funkcja ta może być używana podczas TXOP, które zostały uzyskane przez QSTA/QAP

podczas kontroli kanału przez HCCA bądź EDCA. Zgodnie z standardem 802.11 implementacja CFB jest opcjonalna, [21], [54].

CFB pozwala na wielokrotną transmisję ramek z tej samej kolejki, bez konieczności rywalizacji o dostęp. Poszczególne transmisje danych (DATA+ACK) są oddzielone czasem SIFS, co nie pozwala innym stacjom przejąć kontroli nad medium. Możliwość wysyłania kolejnych pakietów jest ograniczona poprzez limit nałożony na TXOP (TXOPLimit).

Zastosowanie mechanizmu CFB prowadzi do zwiększenia sprawiedliwości w dostępie do medium pomiędzy kolejkami AC o zbliżonych, niemal identycznych parametrach, niezależnie od obowiązujących wielkości ramek. Rysunek 7.2.4 przedstawia mechanizm CFB.

Niestety, CFB jest efektywnym mechanizmem w przypadku, kiedy nie występują problemy związane z transmisją. Konsekwencją wystąpienia błędów (brak ramek potwierdzających) podczas CFB jest natychmiastowe zakończenie tego okresu. Mechanizm bardzo dobrze się sprawdza tylko dla ruchu o charakterystyce CBR, [54].

Rysunek 7.2.4 CFB

7.3.4 mCFBW [54] została zaproponowana modyfikacja metody opartej na CFB. Głównym celem jej

autorów jest próba uporania się z błędami transmisyjnymi wynikającymi z zakłóceń w przestrzeni itp. Twórcy przyjmują następujące założenia:– jeśli ramka ACK dla pierwszej ramki danych w serii nie została dostarczona do nadawcy

w określonym czasie RTO, to nadawca przechodzi do procedury backoff i rozpoczyna rywalizację o dostęp do medium;

– jeśli transmisja pierwszej ramki zakończy się sukcesem, a któraś z kolejnych transmisji nie, tow przeciwieństwie do standardowego CFB nadawca ramki nadal posiada dostęp do medium i próbuje dokonać retransmisji ramki przed upłynięciu RTO;

– próba retransmisji ramki może odbyć się tylko wtedy, jeśli pozostały czas dostępu do medium może pozwolić na dokonanie tejże transmisji.

Rysunki 7.2.5.1 oraz 7.2.5.2 prezentują działanie mCFB w zależności od momentu w którym nie wystąpiła ramka potwierdzająca.

Rysunek 7.2.5.1 Brak potwierdzenia pierwszej ramki.


Rysunek 7.2.5.2 Brak potwierdzenia jednej z ramek w sekwencji.

To proste rozszerzenie podstawowej funkcji CFB prowadzi do polepszenia ogólnego działania tego algorytmu. W scenariuszach zaprezentowanych w [54] autorzy pokazali, że zastosowanie mCFB pozwala aplikacjom, programom wymagającym wysokiej przepustowości kanału, jak np. HDTV, na utrzymanie zadowalającego poziomu opóźnień, nie powodującego zmniejszenia jakości przekazu przy obecności innych aplikacji video bądź VoIP.

7.3.5 Kontrola dostępu w APSieci bezprzewodowe WLAN oparte na standardzie 802.11e mogą gwarantować w HC poli

tykę dostępu do medium w celu lepszej utylizacji kanału i przydzielania pasma, [21].Poza tym, kontrola dostępu jest zawsze wymagana w przypadku żądań QSTA, otrzymania określonych zasobów sieciowych: stopa błędów, maksymalne opóźnienie itp.

W tym wypadku rolę zarządcy spełnia HC, który jest zawsze umieszczony wraz z QAP. Zostały wprowadzone dwie metody kontroli dostępu do medium, które są ściśle powiązane z istnieniem funkcji HCCA, EDCA.

Każda ze stacji działająca pod jurysdykcją funkcji HCF ma obowiązek wspierania procedur kontroli dostępu. Wymagane jest to w przypadku kolejek AC o wysokim priorytecie. Każda ze stacji żądająca polityki kontroli dla swojej kolejki jest zobligowana do wysłania żądania ADDTS-Request do HC w celu poinformowania koordynatora o konieczności kontroli transmisji. Ramka ta powinna zawierać UP powiązany z określonym ruchem. Dzięki temu HC ma możliwość mapowania tejże wartości na określoną kolejkę AC. QAP w odpowiedzi ADDTS-Response może poinformować stację o braku możliwości kontroli, bądź też ją zapewnić. Wykorzystywany algorytm do zarządzania jest zależny od sposobu implementacji i projektanta sieci. Raz ustalona konieczność kontroli dostępu dla kolejki AC nie może zostać zmieniona przez cały czas istnienia BSS, bądź do momentu deasocjacji.

Stacja może, aby dokonać transmisji, wykorzystać priorytet kolejki AC_BK. Nie wymaga ona kontroli i nie zapewnia też żadnych gwarancji, że wysłane dane będą miały określoną prędkość transmisji i opóźnienia.

Kontrola dostępu w głównej mierze zależy od czynników powiązanych z gwarantowaną funkcjonalnością sieci bezprzewodowej (żądań STA odnośnie TSPEC i QoS). Wszystkie te czynniki mają wpływ na przepływ danych pomiędzy HC a QSTA, [21].


7.4 Block AckWraz z wprowadzeniem 802.11e został zaproponowany nowy mechanizm potwierdzania.

Gwarantuje on możliwość lepszego wykorzystania łącza w celach spełnienia QoS. Wykorzystywany jest głównie podczas CFB, [21], [56].

W mechanizmie tym przed dokonaniem jakiejkolwiek transmisji należy wynegocjować odpowiednie parametry połączenia pomiędzy QSTA a QAP. Zainicjowanie odbywa się poprzez wymianę pomiędzy zainteresowanymi stronami ramek ADDBA request/response. Po poprawnym zakończeniu operacji może nastąpić faktyczna wymiana danych. Liczba możliwych zblokowanych ramek jest ograniczona i parametr ten musi przechowywać odbiorca. Ograniczenie wynika główniez przyznanego czasu na transmisję HCCA-TXOP bądź EDCA-TXOP.

Mechanizm ten nie wymaga pomiędzy stacjami istnienia TS. Ponadto QSTA może zasygnalizować HC konieczność użycia block ack poprzez TXOP dostarczone do HC i zarządzane dalej przez mechanizm kolejkowania.

7.4.1 Imeediate, delay block ackW standardzie 802.11e zostały zaproponowane dwa mechanizmy block ack, [47], [21]:

– immediate, w tym przypadku nadawca po zakończeniu transmisji właściwych danych jest zobligowany do wysłania ramki blockACKRequest. Odbiorca musi dać odpowiedź zwrotną blockACK po upłynięciu czasu SIFS. Nadawca otrzymując tą ramkę weryfikuje, które dane nie zostały potwierdzone i dokonuje ich retransmisji (rysunek 7.4.1.1).

Rysunek 7.4.1.1 Immediate Block Ack.

– delay, odbiorca danych wysyła standardową ramkę ACK w odpowiedzi na blockACKRequest informując nadawcę, że ramka potwierdzająca blok danych będzie wysłana z opóźnieniem. Wysłanie ramki block ack musi się odbyć w najbliższym uzyskanym TXOP, operacja ta posiada najwyższy priorytet transmisyjny. Odpowiedź ta musi zostać wysłana przed upłynięciem czasu BlockAckTimeout. Jeśli jednak przytrafi się sytuacja, w której nadawca nie otrzyma ramki potwierdzającej, wyśle ponownie ramkę blockAckRequest. Operacja będzie ponawiana do momentu osiągnięcia maksymalnej wartości licznika powtórzeń zdefiniowanego dla połączenia (braku sukcesu po osiągnięciu tej wartości oznacza odrzucenie ramek i uznanie, że transmisja nie zakończyła się pomyślnie, rysunek 7.4.1.2).

Rysunek 7.4.1.2 Delay Block Ack.


7.4.2 Reguły transferowe BlockAckBlockAck pozwala na wysyłanie grupy ramek, gdzie kolejne transmisje są oddzielone cza

sem SIFS.Całkowita liczba danych, które mogą zostać wysłane za pomocą tego mechanizmu jest zde

finiowana poprzez wartość w ramce ADDBA-response. Każda z ramek transmitowana przy użyciu BlockAck powinna być odpowiednio oznaczona tzn. pole ramki tyczące się polityki ACK w danych dotyczących QoS ustawione na BlockAck.

Jeśli nie jest używany żaden mechanizm zwiększający bezpieczeństwo transmisji ograniczając możliwość innych stacji do transmisji podczas TXOP, to pierwsza z ramek w bloku musi zostać potwierdzona. Ponadto wymagane jest, aby było ustawione pole w ramce odpowiadające całkowitemu czasowi potrzebnemu na transmisję. Pozwoli to pozostałym stacjom w obrębie BSA zmodyfikować swoje wektory NAV i zmniejszyć ryzyko wystąpienia kolizji.

Odbiorca ma za zadanie przechowywać dane nadawcy w celu wysłania potwierdzenia po zakończonej transmisji. Jest to rekord BlockAck zawierający:– adres nadawcy,– TID, – strukturę odnoszącą się do wielkości bufora numerowaną poprzez numery kolejnych MSDU.

Rekord ten przechowuje stan potwierdzeń dla nadawcy, danych od niego odebranych.

Ramka BlockAck zawiera, maksymalnie, potwierdzenia dla sześćdziesięciu czterech wcześniej przesłanych MSDU. STA, odbierające te dane, potwierdza wszystkie ramki, których wartość pola sekwencji nie przekracza dopuszczalnej normy, 212.

7.4.3 Kończenie transmisji BlockAckW przypadku, kiedy nadawca nie posiada już żadnych danych do wysłania sygnalizuje to

poprzez wysłanie specyficznej ramki DELBA. Nie przewiduje ona żadnej odpowiedzi, a tylko natychmiastowe zwolnienie wszelkich zasobów zajmowanych przez transfer, procedurę BlockAck.

Połączenie stworzone na potrzeby BlockAck może zostać w każdym momencie zerwanew przypadku braku odpowiedzi na ramki: blockAckRequest, blockAck, [21] .

7.5 Direct Link protocolW podstawowym standardzie 802.11 nie istnieje możliwość bezpośredniego połączenia po

między dwoma stacjami. Cała komunikacja pomiędzy nimi musi się odbywać przy wykorzystaniu AP. Standard 802.11e daje możliwość stacjom bezpośredniej wymiany danych w InfBSS. Mechanizm ten jest przydatny w sieciach tworzonych w domu. Pozwala zagwarantować większą przepustowość niż przy wykorzystaniu QAP. Daje to możliwość zachowania lepszej jakości transmisji. DLP może być używany tylko w przypadku, gdy stacje znajdują się w swoim zasięgu, [46].

7.5.1 Zasada negocjacji połączenia z wykorzystaniem AP Tworzenie bezpośredniego połączenia pomiędzy dwoma stacjami chcącymi dokonać bezpo

średniej wymiany danych przebiega w następujących etapach, [46], [21]:

a) stacja posiadająca dane, które chce wysłać do drugiej stacji musi najpierw wysłać zapytanie, ramkę MMPDU, do QAP w celu uzyskania wiadomości, czy drugi koniec naszej konwersa


cji jest dostępny do bezpośredniej komunikacji z zdefiniowanymi parametrami ruchu (prędkość, opóźnienia itp.)

b) QAP odsyła odpowiedź, ramkę MMPDU, do stacji nadawczej informując ją, czy określona stacja odbiorcza z adresem MAC zdefiniowanym w zapytaniu jest w obrębie QBSS i chce partycypować w bezpośredniej komunikacji.

Procedura bezpośredniej negocjacji połączenia odbywająca się po zakończeniu sukcesem procesu lokalizacji (pkt. a i b) i jest następująca:

c) stacja nadawcza wysyła ramkę MMPDU mającą na celu ustalenie pożądanej prędkości transmisji,

d) stacja odbiorcza odpowiada także ramką MMPDU do stacji nadawczej, używając tej samej prędkości transmisyjnej, jeśli posiada zasoby, aby ją zagwarantować. (w przypadku nieudanej negocjacji połączenia QAP może odpowiedzieć z statusem „brak pozwolenia”, a QSTA może odpowiedzieć z statusem „odrzucony”. )

Niestety, ale mechanizm DLP zmniejsza efektywność działania stacji w trybie oszczędzania energii, gdyż nie istnieje możliwość buforowania ramek przez QAP i stacje są „wybudzane” częściej z „trybu uśpienia” niż to ma miejsce w przypadku komunikacji z wykorzystaniem QAP.

7.6 Wireless Address Resolution ProtocolWARP używany przez stacje mobilne podczas próby bezpośredniej komunikacji w sieciach

IQBSS. Do jego głównych zadań należy ustalenie, czy bezpośrednie połączenie dwóch stacji jest możliwe i będzie optymalne dla osiągnięcia maksymalnych profitów podczas transmisji danych, [46].

Stacja, która chce brać udział w bezpośredniej komunikacji ma zadanie utrzymywać „cache WARP”. Przechowuje on listę znanych adresów MAC i dane, które mają zostać przesłane bezpośrednio.

Poprawne zakończenie procedury negocjacji połączenia skutkuje dodaniem wpisu do tejże tablicy. Wpisy w tablicy WARP mogą posiadać dwa znaczenia:– informują stację, że bezpośrednie połączenie z danym adresem przeznaczenia MAC nie jest

w tej chwili możliwe (brak bezpośredniej komunikacji),– przekazują, że w danej chwili istnieje możliwość bezpośredniej komunikacji pomiędzy stacjami.

Każda ze stacji działająca w obrębie IQBSS może tymczasowo wyłączyć możliwość korzystania z WARP cache. Jego ponowne włączenie jest możliwe tylko w przypadku poprawnej negocjacji połączenia z wykorzystaniem DLP, zakończenia procedury lokalizacji.

7.7 APSD- Automatic Powe Save DeliveryGrupa IEEE 802.11e zaproponowała mechanizm mający na celu wsparcie urządzeń pracu

jących w trybie oszczędzania energii. APSD jest bardziej wydajną metodą zarządzania energią niż podstawowa dostarczona wraz z standardem 802.11. Dziś prawie wszystkie STA wspierają mechanizmy, które są bardzo zbliżone do ASPD. Poza tym, protokół APSD został zaprojektowany w taki sposób, aby mógł zagwarantować wsteczną kompatybilność z QSTA wykorzystującymi podstawowy mechanizm 802.11 oszczędzania energii. W trybie APSD, AP ma za zadanie buforować ramki stacji przez okres określony w podczas negocjacji APSD.

Operacje negocjacji są wywoływane przez stację poprzez ustalenie pomiędzy QSTA a QAP odpowiedniej TSPEC z ustawioną flagą dotyczącą APSD, [21], [32], [53], [8].


7.7.1 APSD- mechanizmyWyróżniamy dwa podstawowe rodzaje mechanizmów APSD, [9]:

– UAPSD, zdefiniowane dla stacji używających EDCA. Gwarantuje lepsze metody dostarczania danych w przypadku ruchu o VBR. Główną cechą tego mechanizmu jest użycie ramek danych wysyłanych w kierunku od stacji do punktu dostępowego jako znaczników (ang. triggers)w momencie gdy stacja, działająca w trybie oszczędzania energii „budzi się”. Kiedy taka ramka zostanie odebrana przez AP od STA, to punkt dostępowy wykorzystuje tą okazję do dostarczenia buforowanych ramek do STA. Z powodu tej specyficznej funkcjonalności, metoda ta jestużywana w przypadku dwukierunkowych transmisji z wykorzystaniem TS.

– SAPSD, używana zarówno przez HCCA i EDCA. Zapewnia dużą efektywność w przypadku zarządzania bardzo obciążoną siecią z przewidywanym rodzajem ruchu. Mechanizm pozwala stacjom na planowanie czasu dostarczenia im ramek. Zmienna przesunięcia czasu tzw. „time offset” może zostać określona w ramce „beacon” w celu pozwolenia grupie stacji na „obudzenie się” w różnym momencie trwania super ramki, aby odebrać dane przeznaczone dla nich.

7.7.2 Główne zalety APSDNajważniejszymi zaletami zastosowania mechanizmu APSD są:– zapewnienie możliwości różnego traktowania kolejek AC w zależności od wymaganego pozio

mu opóźnienia. Ramki, w postaci tzw. triggers, mogą także uzyskać dostęp do kanału i odczytać priorytet w przeciwieństwie do zwykłych ramek PS-POLL, co pozwala na gwarancję QoS.

– możliwość zmniejszenia kosztów ogólnych odbioru buforowanych ramek z AP, dzięki wykorzystaniu ramek danych jako znaczników. Ma to szczególne znaczenie w przypadku aplikacji działających symetrycznie, jak VoIP, ponieważ transmitowanych jest mniej pustych ramek, QoS Null, i dlatego obciążenie wynikające z transmisji ramek PS-POLL jest zmniejszone.


8. Metody bazujące na DCF

8.1 AC/IAAC Mechanizm zaproponowany przez Imad Aad and Claude Castelluccia (spotykany także pod

nazwą IAAC) ma na celu wprowadzenie gwarancji QoS w podstawowej metodzie dostępu do medium w sieciach 802.11, DCF, [1].

W celu zapewnienia jakości transmisji autorzy postanowili rozgraniczyć stację dając im różne od siebie parametry QoS. W tym celu zostały zastosowane trzy techniki:– każda ze stacji posiada inny czas dostępu do medium, DIFS. Głównym problemem zaobserwo

wanym podczas symulacji [1] jest dyskryminacja ruchu nisko priorytetowego, jeśli tylko stacja mająca wysoki priorytet chce dokonać transmisji. Nie zaobserwowano znaczących odstępstw osiągach dla poszczególnych przepływów TCP i UDP, [1], [33], [48];

– różne długości okna podczas procedury backoff. Przypisując stacjom posiadającym wyższy priorytet dostępu krótsze CW prawie w każdym przypadku gwarantuje, że stacja ta uzyska dostęp szybciej niż stacja z niskim priorytetem. Udowodniono, że schemat ten działa bardzo dobrze w przypadku ruchu opierającego się na transmisji z wykorzystaniem UDP, [1],[33], [48];

– stacje posiadają różny od siebie maksymalny rozmiar ramek, dopuszczalnych do transmisji, zależny od priorytetu. Stacja z wysokim priorytetem będzie posiadać prawo do transmisji większej ilości danych, jednorazowo. Mechanizm ten jest używany w celu zwiększenia rozróżnialności usług i przepływów. Działa dobrze zarówno z ruchem TCP, jak i UDP. Niestety, w środowisku podatnym na zakłócenia, długie ramki danych mogą być często niszczone, co w dużej mierze zmniejsza efektywność mechanizmu, [1], [33], [48].

8.2 BlackburstW pracy [55] poświęconej analizie ruchu wymagającego małych opóźnień, w czasie rzeczy

wistym, został zaproponowany mechanizm mający poprawić możliwości uzyskania wysokiego poziomu gwarancji transmisji, tzw. blackburst. Głównym elementem poruszonym w pracy jest sposób radzenia sobie ze stacjami wysoko priorytetowymi (stacje generujące ruch video, voip).

Z tego powodu zaproponowano nałożenie obwarowań na działanie stacji o wysokim priorytecie:– wszystkie stacje posiadające wysoki priorytet posiadają ten sam, stały interwał czasowy umożli

wiający im dostęp do medium (tsch). Można to porównać do czasów DIFS i PIFS w przypadku których odpowiednio stacje zarządzane przez PC i działające w trybie CSMA/CA mogły otrzymać dostęp;

– każda ze stacji musi posiadać możliwość zablokowania dostępu do medium na określony odcinek czasu.

Pozostałe stacje o niskim priorytecie działają w oparciu o standardowy mechanizm CSMA/CA (funkcja DCF). Algorytm zaproponowany przez Sobrinho i Krishnakumar prezentuje się następująco, [55]:

1) kiedy stacja posiadająca wysoki priorytet chce dokonać transmisji nasłuchuje medium, aby określić, czy jest ono dostępne (PIFS) i następnie rozpoczyna blackburst CP (analogicznie do procedury backoff w DCF),

2) stacja wysyła dane tzw. blackburst w celu zablokowania dostępu do medium transmisyjnego. Długość blackburst jest określona poprzez czas jaki stacja musiała oczekiwać, aby uzyskać dostęp;

3) po transmisji blackburst stacja ma za zadanie przez czas blackSlot (analogiczny do slotTime) nasłuchiwać medium, aby zweryfikować, czy inna ze stacji znajdujących się w obrębie


BSS nie rozpoczęła także swojej transmisji posiadając większą wartość blackburst. Jeśli sytuacja taka się zdarzyła, oznacza to, że istnieją stacje w obrębie BSS, które czekały dłuższy czas, aby uzyskać dostęp do medium i mają większy priorytet go uzyskać;

4) jeśli sytuacja z pkt. 3) zakończyła się powodzeniem dla stacji transmitującej blackburst, może ona rozpocząć właściwą transmisję ramki. W przeciwnym przypadku [55] uznajemy, że wystąpiła kolizja i stacja na nowo rozpoczyna nasłuch kanału transmisyjnego i procedurę blackburst CP. W przypadku poprawnej transmisji stacja planuje następną próbę dokonania transmisji po czasie tsch. Dzięki zastosowaniu tego mechanizmu ruch typu real-time może być zarządzany w bardziej racjonalny sposób, gwarantując wysoki poziom synchronizacji transmisji, [55].

8.3 JDRC /DCMechanizm, który swą nazwę wywodzi od pierwszych liter imienia i nazwiska autorów zo

stał zaproponowany jako rozszerzenie dla DCF, [10], [47].Wykorzystuje on dwa parametry występujące w warstwie MAC modelu sieci 802.11 (BT

i IFS). Pozwala to na wprowadzenie rozróżniania czterech klas ruchu (różne priorytety).Stacja używająca czasu PIFS i krótkiego BT będzie miała pierwszeństwo transmisyjne przed

pozostałymi stacjami. Niestety, ale mechanizm ten nie zajmuje się w ogóle stacjami posiadającymi niski priorytet, [14], [3]. Może się przecież zdarzyć sytuacja, gdzie jedynymi stacjami w obrębie BSS, które będą chciały dokonać transmisji (działają pod jurysdykcją AP) to te posiadające niski priorytet. Niestety, ale ich czas BT pozostanie niezmieniony i będą musiały nadal długo oczekiwać na dostęp do medium, co implikuje opóźnieniami wtedy, kiedy medium i tak było dostępne (brak stacji o wysokim priorytecie, która chce dokonać transmisji), [48], [10].

8.4 DFS- Distributed fair schedulingAutorzy pracy [59] chcąc zagwarantować dużą sprawiedliwość w dostępie do medium trans

misyjnego zaproponowali nową funkcję DFS bazującą na 802.11 MAC i wykorzystującą idee SCFQ w domenach bezprzewodowych. Funkcja ta zachowuje się bardzo podobnie do swojego protoplasty DCF z wyjątkiem algorytmu wyznaczania backoff interval, długości CW.

Wyliczony backoff interval jest proporcjonalny do wielkości pakietu, a odwrotnie proporcjonalny do rodzaju przepływu danych. Gwarantuje to generowanie przez stację posiadające mniej znaczące dane do generowania dłuższych backoff interval niż stacje posiadające bardziej znaczące dane.

Sprawiedliwość w dostępie do medium została także osiągnięta poprzez wprowadzenie do obliczeń backoff interval rozmiaru pakietu dla poszczególnych przepływów danych. Zapewnia to, że przepływy posiadające mały rozmiar pakietu będą wysyłane o wiele częściej, [59].

8.5 VMACVMAC, mechanizm wirtualnego MAC [60] zapewnia monitoring sygnału radiowego, pełną

rozróżnialność usług sieciowych, a także kontrolę dostępu do medium. Na podstawie ciągłego monitoringu ruchu i sygnału radiowego VMAC ma za zadanie ustalić

możliwy, osiągalny poziom usług. Oszacowanie odbywa się poprzez analizę statystyk warstwy MAC odpowiadających poszczególnym kategoriom ruchu (usługą) np. jitter, opóźnienia, stopa gubienia pakietów i kolizji. VMAC działa równolegle z MAC w obrębie stacji, ale nie operuje on na prawdziwych danych/pakietach, a na wirtualnych, stąd też jego nazwa. Główną zaletą tego mechanizmu jest możli


wość oceny żądań i dokonywania bardziej wyszukanych metod kontroli dostępu do medium transmisyjnego, [60], [46].

Przeprowadzone symulacje działania algorytmu VMAC i funkcji z nim powiązanych pokazały, że jego użycie pozwala na zachowanie stabilnego stanu medium transmisyjnego bez konieczności złożonych, scentralizowanych metod zarządzania.

8.6 AEDCA Głównym problemem mechanizmu podstawowego EDCA jest statyczne zarządzanie rozmiarami CWmin, CWmax, CW. Implikuje to brakiem możliwości wzięcia pod uwagę dynamiki, aktualnego wykorzystania medium transmisyjnego, [51]. Stąd zaproponowano mechanizm AEDCA, operujący w sieciach ad-hoc. W nim zostały wprowadzone relatywne priorytety dla ruchu poprzez dostosowanie rozmiaru zmiennych dotyczących CW dla każdej klasy ruchu biorąc także pod uwagę wymagania aplikacji, jak i stan sieci.

Algorytm działania przedstawia się następująco:– po każdej udanej transmisji rozmiar okna CW nie jest resetowany do wartości początkowej

CWmin, przeciwieństwo do procedury backoff. Wartość ta jest wyliczana na podstawie oszacowania stopy błędów i kolizji w poszczególnych stacjach, [46], [51].

– po wystąpieniu kolizji wykorzystywany jest PF w celu dalszej możliwości rozróżnienia usług.

W analizie i na podstawie realizowanych symulacji [51] autorzy wykazali, że AEDCA przewyższa wydajnością 802.11e EDCA. W szczególności zaobserwowano znaczący wzrost efektywności w przypadku wysokiego poziomu obciążenia sieci. Co więcej AEDCA pozwala na osiągnięcie lepszej utylizacji medium transmisyjnego i zmniejszenie poziomu kolizji o 50%. Ogólna efektywność AEDCA jest większa o 25% w porównaniu ze swoim poprzednikiem.

Ponadto, złożoność algorytmu AEDCA pozostaje na podobnym poziomie co schematu EDCA, pozwalając dzięki temu na implementację bez radykalnego zwiększania kosztów, [51].


9. Metody bazujące na PCF

9.1 Robust SuperPollMechanizm mający na celu uporanie się z możliwymi problemami, jakie mogą wystąpić

podczas działania PCF. Jednym z nich jest utrata czasu CFP mogąca w skrajnych przypadkach powodować utratę możliwości rozesłania ramki CF-Poll do stacji, [13].

Aby uporać się z tym problemem, a także innymi występującymi w sieciach bezprzewodowych 802.11 (np. zakłócenia z powodu otaczającego środowiska, problem ukrytej stacji) autorzy zaproponowali mechanizm nazywany Robust SuperPoll, [13].

Mechanizm wygląda następująco:– PC utrzymuje listę wszystkich stacji znajdujących się w BSS. Ma za zadanie obliczyć ile stacji

może dostać możliwość transmisji podczas najbliższego okna PCF, CFP;– PC wysyła pakiet w trybie broadcast zawierający listę wszystkich stacji, które będą mogły do

konać transmisji podczas CFP, tzw. SuperPoll frame.Powoduje to, że stacje posiadają kilka okazji, aby otrzymać ramkę SuperPoll mówiącą, czy

będą miały możliwość transmisji, czy też nie. Zastosowanie mechanizmu Robust pozwala zmniejszyć czas oczekiwania na dostęp i nie

znacznie poprawić przepustowość, dostępne pasmo, dla stacji co ma wymierne skutki dla wsparcia aplikacji multimedialnych szczególnie w „głośnym środowisku”.

9.2 FHCF Udowodniono niestety, że metoda HCF jest bardzo efektywna tylko w przypadku przepły

wów danych typu CBR. Przecież może wydarzyć się taka sytuacja zwłaszcza w przypadku aplikacji czasu rzeczywistego (wideokonferencje, transmisje VoIP), gdzie mogą występować małe odchylenia w rozmiarach pakietów zbliżające ruch do charakterystyki definiowanej jako VBR.

W dokumentach [3] została zaproponowana funkcja FHCF mająca rozszerzyć funkcjonalność 802.11e HCF poprzez zapewnienie sprawiedliwości pomiędzy przepływami danych z CBRi VBR. Autorzy przedstawili nowy mechanizm kolejkowania, który przy przydziale TXOP ma także brać pod uwagę długość poszczególnych danych oczekujących do wysłania w kolejkach AC.

W przedstawionych symulacjach udowodniono, że FHCF jest aż o 34% efektywniejszy niż HCF poprzez usunięcie kolizji w przypadku dużego obciążenia. Co więcej, także podczas obciążenia sieci WLAN rzędu 96% FHCF jest wstanie zapewnić kontrolę nad opóźnieniami i respektować żądania poszczególnych przepływów danych, kolejek AC, odnośnie QoS, [3].


10. Problem mobilności stacjiPodstawowe pojęcia związane z sieciami bezprzewodowymi WLAN, a także z rodzajami

wspieranych mobilności zostały zaprezentowane w rozdziale 4. W tym zaś postaram się przybliżyć pojęcia związane z roaming, jego zasadę działania, a także przedstawić standard zaproponowany przez grupę 802.11r mający na celu przyśpieszyć przekazywanie stacji pomiędzy BSS tzw. bss transistion.

10.1 802.11 roamingRoaming – oznacza, że urządzenia w sieci WLAN mogą bez żadnych problemów przełączyć

się pomiędzy punktami dostępowymi w wyniku balansowania obciążenia sieci bądź fizycznego przesunięcia, [17]. Właśnie główną ideą WLAN jest zapewnienie możliwości przemieszczania się użytkownikowi.

Kiedy zbliży się on do kolejnego AP, pokrywającego swoim sygnałem inny obszar, moc sygnału z AP którym jest połączony drastycznie spadnie. W pewnym momencie sygnał z obu AP będzie tej samej mocy, ale dalsze poruszanie się stacji mobilnej sprawi, że użytkownik znajdzie sięw zasięgu nowego AP, gdzie zostanie poddany procedurze autentykacji w celu uzyskania dostępu do sieci.

Aby uniknąć interferencji pomiędzy różnymi punktami dostępowymi bardzo istotne jest dobre wybranie kanałów transmisyjnych w celu bezproblemowego zdiagnozowania przez stację mobilną, gdzie teraz ma żądać usług. Wiedzę na temat innych AP znajdujących się w ESA, STA zdobywa dzięki wykorzystaniu w WLAN funkcji TSF i ramki beacon. Każdy punkt dostępowy jest zobligowany do regularnego, podobnie jak w PCF, wysyłania ramki beacon, informując STA o swoim istnieniu. Stacje skanujące sieć w poszukiwaniu tych ramek, na różnych kanałach, po ich odnalezieniu, mogą zdecydować z którym AP chcą dokonać asocjacji (odbywa się to zazwyczaj na podstawie mocy sygnału docierającego od poszczególnych punktów dostępowych).

Koniecznością dla punktów dostępowych w ESA , aby WLAN świadczył roaming, jest:– podłączenie do tej samej podsieci IP, dzięki czemu klient nie będzie musiał zmienić swojego nu

meru IP;– posiadanie tego samego numeru SSID;– te same mechanizmy autentykacji, asocjacji i reasocjacji.

Jeśli któreś z tych wymagań nie będzie spełnione swobodny roaming zostanie zakłóconyi klient straci możliwość komunikacji. Mechanizmy przedstawiające funkcjonalność roaming od strony technicznej, metody przejścia i rodzaje skanowania są szczegółowo opisane w [17] i nie zostaną przedstawione.

10.2 Ograniczenia roaming W przypadku zbyt wolnego roaming pomiędzy punktami dostępowymi pojawiają się opóź

nienia, zniekształcenia transmisji. Obecnie standardy grupy 802.11 zapewniają opóźnienia rzędu 100ms, natomiast do bezbłędnej transmisji wielkość opóźnienia w przypadku transmisji głosu nie powinna być większa niż 50ms (jest to czas reakcji ludzkiego ucha).

Kolejnym problemem z dotychczasowymi rozwiązaniami jest brak możliwości weryfikacji, czy odpowiednie zasoby QoS są dostępne przy nowym punkcie dostępowym przed dokonaniem procedury roaming (reasocjacji). Powoduje to brak wiedzy, czy przejście pomiędzy AP doprowadzi do zadowalających osiągów aplikacji.


10.3 Rozwiązania dla roaminguW celu uporania się z problemami roamingu zostały zaproponowane następujące rozwiąza

nia, które mogą ale nie muszą zostać wykorzystane:– protokół IAPP (802.11f) zapewnia bezprzewodową komunikację z jednym punktem dostępu

(ang. access-point) oraz jego wybór spośród wielu dostępnych. Umożliwia m.in. przemieszczanie się z laptopem pomiędzy strefami zasięgu różnych punktów dostępu bez przerywania połączenia. Nie jest już rozwijany i został wycofany przez IEEE w lutym 2006 roku, [23];

– 802.11k został stworzony w celu poprawienia metod zarządzania transmisją. W WLAN, każda ze STA zazwyczaj jest połączona z AP oferującym największą moc sygnału. W zależności od geograficznego położenia wszystkich STA w obrębie BSA może się zdarzyć sytuacja kiedyw stronę jednego AP będą wysyłane ciągle żądania o nowe zasoby degradując poziom świadczonych usług. W sieciach wspierających ten standard, jeśli punkt dostępowy posiadający największą moc sygnału jest obciążony w granicach swoich maksymalnych możliwości, to STA powinna wtedy być podłączona do AP mniej obciążonego w danym obszarze. Mimo, że sygnał będzie słabszy, jakość świadczonych usług jest lepsza (niż jakbyśmy podłączyli się do pierwszego AP), gdyż stosujemy bardziej wydajną metodę zarządzania zasobami sieciowymi. Standard został zatwierdzony w styczniu 2008 roku, [24];

– 802.11i, standard opisujący mechanizmy bezpieczeństwa wykorzystywane w sieciach bezprzewodowych WLAN. Poprawia mechanizmy wymiany, dystrybucji kluczy kryptograficznych pomiędzy STA a QAP, [25];

– 802.11r, gwarantuje tzw. szybki roaming w WLAN, opisany w 10.4, [26];– 802.11h, dostarcza mechanizm DFS, który odpowiada za przełączanie stacji pomiędzy dostęp

nymi kanałami. Może wystąpić taka konieczność w celu uniknięcia interferencji transmisji bądź dla uzyskania lepszej utylizacji dostępnej przepustowości. Punkty dostępowe informują o wykorzystywaniu DFS w ramkach beacon, ułatwiając uzyskanie wiedzy w tym temacie. Kiedy stacja przechodzi procedurę autentykacji dostarcza także AP listę obsługiwanych kanałów transmisyjnych. W momencie zaistnienia konieczności przełączenia STA (balansowanie obciążenia, unikanie interferencji z innym urządzeniami) punkt dostępowy wykorzystuje nabytą wiedzę do ustalenia najlepszego kanału dla urządzenia, [27].

10.4 802.11r Standard sieci bezprzewodowych definiujący, jak powinien przebiegać proces przełączania

mobilnych klientów między kolejnymi punktami dostępowymi. Prace nad standardem 802.11r rozpoczęły się w celu rozwiązania problemu przełączania w przypadku zastosowania sieci WLAN do przesyłania danych strumieniowych (telefonia internetowa korzystająca z protokołu VoIP, transmisja video). Opisuje tzw. "szybki roaming" (gdy użytkownik przemieszcza się między punktami dostępu, oprogramowanie przełącza automatycznie przypisane mu informacje, dotyczące takich kwestii, jak autoryzacja oraz szablon bezpieczeństwa). 802.11r protokół pozwala klientom mobilnym na ustanowienie środków bezpieczeństwa i potrzeb związanych z QoS przy nowym punkcie dostępowym przed dokonaniem przejścia. Pozwala to na zminimalizowanie czasu utraty połączenia, a także zakłóceń w działaniu aplikacji. Protokół nie wprowadza żadnych nowych rozwiązań w sferze bezpieczeństwa, wykorzystuje już obecne rozszerzenie 802.11i. Standard 802.11r został opublikowany15 lipca 2008 roku.


10.4.1 Fast BSS transistion, procedura fast hand-offW celu przyśpieszenia procedur roamingu grupa 802.11r zaproponowała procedurę nazwaną

„fast hand-off”. Główną jej cechą jest sposób autentykacji klienta mobilnego przy przechodzeniu pomiędzy kolejnymi punktami dostępowymi. Faktyczny proces przyłączania klienta do sieci ma odbywać się tylko raz, kiedy wchodzi on do ESS pokrywając określoną powierzchnię. Późniejszy roaming klienta w obrębie tej samej ESS wykorzystuje materiał kryptograficzny z pierwszej autentykacji. Takie rozwiązanie jest podyktowane długością tej procedury, wymiany materiału kryptograficznego, opisanej szczegółowo w standardzie 802.11i (sam proces przejścia spod zarządzania jednego AP do innego, procedura handover, jest opisany szczegółowo w [44]).

10.4.1.1 BezpieczeństwoWraz z zaproponowaną funkcją szybkiego roamingu w sieciach bezprzewodowych grupa

802.11r obrała sobie za cel poprawienie metod autentykacji z wykorzystaniem 802.11i w celu szybszej reasocjacji pomiędzy poszczególnymi punktami dostępowymi. W tym celu 802.11r zawiera nowy model zarządzania kluczami. Opiera się na stworzeniu hierarchicznego podejścia do przechowywania i dystrybucji kluczy. W tym wielopoziomowym podejściu, najwyżej położony obiekt przetrzymujący klucz (kontroler WLAN) posiada dostęp do oryginalnego materiału kryptograficznego i jest odpowiedzialny za dostarczenie go dla niżej położonych w hierarchii AP. Proces dystrybucji klucza opiera się na jednostronnej funkcji haszującej zapewniając dzięki temu, że dane składowane przez AP nie zostaną użyte w celu odszyfrowania oryginalnego klucza przechowywanego przez kontroler.

10.4.2 QoS Protokół stworzony przez grupę 802.11r także będzie wspierał możliwość zapewnienia jako

ści transmisji QoS. Opcjonalny mechanizm pozwoli klientowi mobilnemu poprosić o odpowiednie zasoby, z docelowego punktu dostępowego, przed roamingiem. Dzięki temu klient będzie mógł podjąć decyzję, czy punkt dostępowy jest wstanie spełnić jego żądania przed odłączeniem się od aktualnego. Domyślnie żadne zasoby przy roaming nie zostaną zarezerwowane automatycznie.


10.5 LWAPPDynamiczny rozwój WLAN doprowadził do powstania nowych rozwiązań poprawiających

możliwości sieci bezprzewodowych. Jeden z liderów rynkowych, Cisco, zaproponował nowy model zwany LWAPP, [5]. Stanowi alternatywę dla standardowych rozwiązań WLAN. Nie jest jeszcze popularny jednak jego możliwości mogą zmienić tą sytuację. Rysunek 10.5 pokazuje poglądowo sposób działania LWAPP.

Rysunek 10.5 LWAP, działanie, [5]. Rysunek zapożyczony z strony firmy Cisco.

Cisco w stworzonym systemie LWAP wykorzystuje algorytm „rozdzielonego MAC” dzięki któremu udaje się odseparować ruch rzeczywisty od funkcji zarządzających. System opiera się na grupie kontrolerów WLAN (WLC) zarządzających podległymi punktami dostępowymi. Każdyz LWAP jest uproszczoną wersją standardowego punktu dostępowego z ograniczonymi możliwościami. Odpowiada tylko za dystrybucję ramek beacon, buforowanie danych i ich szyfrowanie. Do reszty zadań (zarządzanie kluczami, autentykacja użytkownika) wykorzystuje centralny kontroler WLC. Pozwala to zredukować czas poświęcony na konfigurację, monitorowanie dużych sieci. Właśnie główną zaletą LWAP jest scentralizowany model zarządzania. Wszelkie decyzje są podejmowane przez WLC, a każdy z punktów LWAP musi się im podporządkować. Ponadto LWAPP zapewnia:– lepszą możliwość zarządzania dostępnym pasmem transmisyjnym,– przyspieszenie procedury roaming, dzięki czemu użytkownik nie odczuwa w znacznym stopniu

opóźnień transmisyjnych,– poprawienie jakości transmisji dzięki odgórnemu zarządzaniu przez kontroler wszystkimi

LWAP.

10.6 Inne rozwiązania dla sieci WLANDynamiczny rozwój WLAN sprzyja powstawaniu coraz to nowszych rozwiązań. Prócz za

prezentowanego powyżej firmy Cisco także inni z branży, specjalizujący się w szczególnościw WiFi, starają się dostarczyć produkty usprawniające wykorzystanie tychże sieci. Na popularności zyskują rozwiązania przedsiębiorstw takich jak:– Colubris, dostarcza system przypominający w działaniu LWAPP, [8],– Proxim, zapewnia rozwiązania w zakresie tworzenia sieci WLAN, spełniania wymagań QoS

transmisji, [44],– Netgear, mającej w swoim wachlarzu rozwiązania dla użytkowników prywatnych jak i biznesu,

[35].Rozwiązania te nie są w pełni kompatybilne z standardem 802.11.


11. Symulacje przy użyciu NS-2 W rozdziale zostanie dokonana analiza możliwości i funkcjonalności sieci bezprzewodowych WLAN. Przedstawię symulacje mające zobrazować działanie niektórych algorytmów obsługi transmisji, a także sposób działania roaming.

Niestety, dosyć trudnym zadaniem było odnalezienie odpowiednich rozszerzeń do implementacji NS-2, które swoim działaniem spełniałyby kryteria do tworzenia symulacji.Dlatego będą wykorzystywane różne wersje network simulator-2: 2.33 [42], 2.1b7 [40].

Sam sposób postępowania podczas tworzenia skryptów symulacji, generacji różnorakich rodzajów transmisji został szczegółowo przedstawiony w [58], a także w dokumentacji NS-2, [41].

Wynikiem każdej z symulacji jest plik z rozszerzeniem *.tr zawierający wszystkie zdarzenia, które wystąpiły w trakcie działania skryptu symulacji. Do ich analizy zostały wykorzystane programy ułatwiające tworzenie złożonych wykresów i analizę statystyk sieciowych:– tracegraph, program, który po otrzymaniu pliku z wynikiem symulacji(*.tr) przy pomocy śro

dowiska matlab 6.0 i wyżej, pozwala na analizę statystyk działania skryptu sieci i tworzenie wykresów dla poszczególnych węzłów, [36],

– jTrana, program napisany w języku JAVA działający w sposób analogiczny jak tracegraph, [11],– gnuplot, program do tworzenie wykresów dostarczony wraz z systemem operacyjnym Linux,

[19].

11.1 RoamingWraz z wersją ns-2.33 została zaimplementowana możliwość tworzenia bezprzewodowych

sieci WLAN opartych o istnienie punktów dostępowych, InfBSS. Pozwala to na symulację mobilności STA, obliczenia opóźnień powstałych podczas procedury przekazywania STA pomiędzy AP, tzw. procedury handover, [52].

11.1.1 Opis symulacjiW obrębie BSS znajdują się dwie statyczne stacje położone na skrajach obszaru 600x600.

Pełnią rolę punktów dostępowych dla pozostałych. Do każdej z nich są przypisane po cztery stacje, które przechodzą procedurę autentykacji/asocjacji w momencie uruchomienia symulacji.

Po upływie pewnych odcinków czasów cztery stacje rozpoczynają transmisje danych w kierunku AP z prędkością 512Kb i rozmiarem pakietu 536 (generowany ruch to UPD/CBR lub UDP/Exponential, w zależności od symulacji).

Dwie z tych stacji oprócz dokonywania transmisji przemieszczają się z zasięgu jednego punktu dostępowego do drugiego w celu obserwacji generowanego opóźnienia podczas reautentykacji mającego wpływ na działanie sieci WLAN.

W symulacji została użyta warstwa fizyczna modelu 802.11b [31] z wzmocnionym poziomem mocy sygnału, aby istniała możliwość transmisji danych stacjom oddalonym w znaczny sposób od AP.

11.1.2 Metoda handover w ns-2.33Zgodnie z [52] proces roamingu w przypadku strukturyzowanego BSS rozpoczyna się

w momencie potrójnego wysłania przez STA ramki danych z tym samym numerem ID. Podczas procesu migracji z zasięgu jednego AP do drugiego STA musi dokonać sekwencyjnej transmisji ramek danych:


– PRRQ – stacja wysyła tą ramkę w celu ustalenia AP oferującego największą moc sygnału. Wszystkie AP będące w zasięgu odpowiadają ramkom PRRP informują STA o swoim istnieniui ustawieniach w obrębie BSS;

– AUTH – STA wysyła tą ramkę w celu autentykacji u nowo wybranego AP. Zadaniem AP jest odesłanie odpowiedzi z zawartym kluczem autentykacji;

– po skończonej autentykacji STA rozpoczyna proces asocjacji z nowym AP wysyłając ramkęACRQ. AP odpowiada na tą ramkę, ACRP, dając STA numer ID asocjacji i oczekując potwierdzenia odbioru, aby umieścić STA na liście stacji powiązanych z BSS.

Po zakończeniu tych czynności STA może wznowić faktyczną transmisję danych, którą dokonywała przed zmianą BSS.

11.1.3 Analiza wynikówPrzejście stacji numer 8 z AP0 do obszaru AP1 czas trwania reautentykacji: 0,05647 s.

Zgubionych pakietów :1 Retransmisji pakietów: 6Pakietów, które zostały odrzucone w kolejce: brak

Przejście stacji numer 2 z AP0 do obszaru AP1, czas trwania procesu reautentykacji: 0,698 s, do momentu poprawnego wysłania nowych danych.

Podczas przechodzenia pomiędzy AP stacja gubi pakiety z kolejki oczekującej. Brak jakiejkolwiek rezerwacji zasobu ma duży wpływ na porzucanie pakietów przez stacje z kolejki oczekującej. Pakiety są porzucane z kolejki nawet po zakończeniu procedury handover i przejścia do nowego AP. Dzieje się tak z powodu braku jakiejkolwiek rezerwacji zasobów, a także długiego procesu trwania reautentykacji podczas którego dane ciągle napływały do kolejki zapełniając ją.

Opóźnienie w czasie przechodzenia pomiędzy AP zależy, oprócz czynników już wymienionych, także od obciążenia sieci.

W momencie dużego obciążenia sieci ruchem UDP czy TCP, AP może porzucać niektórez pakietów wymuszając na stacjach retransmisje, a co za tym idzie zwiększając opóźnienia. Także duża ilość stacji transmitujących dane w obrębie jednego AP ma wpływ na jakość transmisji.W przypadku normalnego roamingu AP nie jest w stanie zagwarantować żadnej z stacji przechodzących z jednego AP do drugiego poziomu jakości świadczonych usług. Powoduje to istnienie dużego prawdopodobieństwa porzucania pakietów w kolejce oczekującej transmisji.

Ponadto, im większa prędkość tym szybciej STA znajduje się w zasięgu nowego AP , gdzie moc sygnału jest już wystarczająca, aby można było na nowo rozpocząć transmisję. Dzięki temu gubionych jest mniej pakietów. Ogromne znaczenie na ilość bajtów zgubionych podczas przemieszczania się ma rozmiar pakietu. Rozmiar większy niż 1000 bajtów powoduje duże straty w przesyłanych danych.

11.1.4 Schemat wymiany komunikatówPrzykładowy „listening” z symulacji mający pokazać wymianę ramek podczas przejścia po

między AP, procedurę „handover”. Sama metoda z symulatora ns-2.33 została opisana w podrozdziale 11.1.2.

Kolumny oznaczają kolejno:zdarzenie(r- odebrany, s- wysłany), czas zdarzenia, id stacji(1- STA, 2- AP), flagi , id pakietu , rodzaj pakietu(np. PRRQ), rozmiar pakietu, adresy

s 13.172465000 _1_ MAC --- 1336 cbr 594 [13a 0 1 800] ------- [1:1 0:0 32 0] [1334] 0 0s 13.174065000 _1_ MAC --- 1336 cbr 594 [13a 0 1 800] ------- [1:1 0:0 32 0] [1334] 0 0


s 13.176945000 _1_ MAC --- 1336 cbr 594 [13a 0 1 800] ------- [1:1 0:0 32 0] [1334] 0 0s 13.179605000 _1_ MAC --- 0 PRRQ 52 [0 ffffffff 1 0] r 13.180021815 _2_ MAC --- 0 PRRQ 52 [0 ffffffff 1 0] s 13.180171815 _2_ MAC --- 0 PRRP 72 [0 1 2 2a40] r 13.180748631 _1_ MAC --- 0 PRRP 72 [0 1 2 2a40] s 13.180758631 _1_ MAC --- 0 ACK 38 [0 2 0 0] r 13.181063446 _2_ MAC --- 0 ACK 38 [0 2 0 0] s 13.181452631 _1_ MAC --- 1336 cbr 594 [13a 0 1 800] ------- [1:1 0:0 32 0] [1334] 0 0s 13.186552631 _1_ MAC --- 1336 cbr 594 [13a 0 1 800] ------- [1:1 0:0 32 0] [1334] 0 0s 13.189572631 _1_ MAC --- 1336 cbr 594 [13a 0 1 800] ------- [1:1 0:0 32 0] [1334] 0 0s 13.204532631 _1_ MAC --- 0 AUTH 58 [0 2 1 0] r 13.204997444 _2_ MAC --- 0 AUTH 58 [0 2 1 0] s 13.205187444 _2_ MAC --- 0 AUTH 58 [13a 1 2 0] r 13.205652257 _1_ MAC --- 0 AUTH 58 [13a 1 2 0] s 13.205662257 _1_ MAC --- 0 ACK 38 [0 2 0 0] r 13.205967069 _2_ MAC --- 0 ACK 38 [0 2 0 0] s 13.224496257 _1_ MAC --- 0 ACRQ 52 [0 2 1 0] r 13.224913068 _2_ MAC --- 0 ACRQ 52 [0 2 1 0] s 13.225003068 _2_ MAC --- 0 ACRP 54 [0 1 2 0] r 13.225435878 _1_ MAC --- 0 ACRP 54 [0 1 2 0] s 13.225445878 _1_ MAC --- 0 ACK 38 [0 2 0 0] r 13.225750689 _2_ MAC --- 0 ACK 38 [0 2 0 0] s 13.229779878 _1_ MAC --- 1336 cbr 594 [13a 2 1 800] ------- [1:1 0:0 32 0] [1334] 0 0

11.1.5 Graficzna interpretacja wynikówWykresy 11.1.5.1 i 11.1.5.2 przedstawiają graficzną reprezentację, analizę, otrzymanych wy

ników, na podstawie pliku „śladu” działaniu symulacji.

Rysunek 11.1.5.1 Czas wysyłania danych przez stację a opóźnienie, ruch UDP/CBR.Ilość stacji- 8, AP-2, stacje przemieszczające się-3, transmitujące dane- 4

Opóźnienie wzrasta wraz z zwiększającą się ilością transmitujących stacji. Można zaobserwować, że największe opóźnienia są odnotowane w momencie zmiany AP w okolicach 12-15 sekundy przez dwie stacje.

Opóźnienia występują w sposób skokowy z powodu braku rezerwacji jakichkolwiek zasobów. Bardzo duży wpływ na taką sytuację ma opóźnienie podczas procedury przechodzenia pomiędzy punktami dostępowymi. W konsekwencji następuje przepełnienie kolejek wybranych STA, a co


za tym idzie gubienie pakietów. Można to ograniczyć zmniejszając szybkość transmisji bądź zwiększając dopuszczalny rozmiar ramki.

Rysunek 11.1.5.2 Czas wysyłania danych przez stację a opóźnienie, ruch typu UDP/Exponential.Ilość stacji- 8, AP-2, stacje przemieszczające się-3, transmitujące dane- 4

Można zaobserwować „skokowość” opóźnień ze względu na cykliczne, okresowe wysyłanie danych oraz że stopa błędów i opóźnień jest na niższym poziomie niż w przypadku ruchu UDPz CBR.


11.2 802.11e HCF HCF, opisana szczegółowo w rozdziale 7, jest metodą mającą na celu zagwarantowanie QoS

w sieciach bezprzewodowych WLAN. W symulacjach postaram się zaprezentować jej funkcjonalność, a także w zależności od wybranych parametrów zaprezentować w jaki sposób i w jakim stopniu zapewnia jakość transmisji. Do tworzenia symulacji wykorzystujących model HCF zostanie użyty symulator ns-2.1b7 wraz z funkcją HCF, udostępniony przez Qiang Li na jego stronie, [40].

Nie jest to najnowsze oprogramowanie i w celach jego uruchomienia należy się zaopatrzyć w starszy system. Symulator udało się uruchomić bez napotkania większych problemów w systemie Red Hat Linux 7.3.

11.2.1 Opis symulacji W wykorzystywanych symulacjach w obrębie BSS zostanie umieszczona grupa stacji (ilość

stacji zależeć będzie od symulacji) dokonujących równoczesnej transmisji danych typu:– audio (VoIP),– ruch poisson,– ruch w tle (ang. background)

Poszczególnym rodzajom ruchów zostaną przyporządkowane priorytety kolejek AC i parametry dotyczące TSPEC. Pozwoli to na analizę pod kątem stopy gubienia pakietów, przepustowości i generowanych opóźnień w obu trybach transmisji, HCCA i EDCA.

Kolejne wykonane symulacje będą podlegać niewielkim modyfikacją, służącym zbadaniu funkcjonalności HCF, takim jak:– zmiana parametrów poszczególnych kolejek AC, symulacja EDCA,– modyfikacja czasu przeznaczonego na działanie funkcji składowych HCCA, EDCA. Pozwoli to

zaobserwować jak jest obsługiwany ruch na bazie parametrów transmisji a jak priorytetów.

Czas trwania każdej z symulacji nie będzie przekraczać dwudziestu sekund. Jest to okres wystarczający, aby dało się zaobserwować zalety i wady w działaniu poszczególnych mechanizmów. Jednocześnie, na podstawie dokonanych symulacji, zostanie dokonana analiza pod względem wymagań stawianych przez transmisję VoIP (analiza wielkości opóźnień).

Wszelkie obliczenia przepustowości, obciążenia punktu dostępowego zostaną wykonane przy pomocy skryptów dostarczonych wraz z implementacją modułu HCF w symulatorze ns-2.

11.2.2 HCCAW symulacji cały czas pomiędzy kolejnymi transmisjami ramek beacon został przydzielony

funkcji HCCA. W obrębie BSS zostały umieszczone 13 STA (jedna z nich działa jako punkt dostępowy), gdzie:

– 6 dokonuje transmisji audio z parametrami VoIP,

– 6 dokonuje transmisji ruchu typu poisson,

– wszystkie posiadają ruch obsługiwany w tle.

11.2.2.1 Analiza wynikówTabela 11.2.2.1 przedstawia wyniki symulacji. W przypadku poszczególnych przepływów

podawana jest wartość maksymalna, minimalna opóźnienia, jak i średnia. Wykonanie tych badań jest możliwe dzięki wykorzystaniu skryptów AWK, [15].


audio poisson ruch w tle

opóźnienie minimalne 0,121ms 0,151ms 0,192ms

opóźnienie maksymalne 50,165ms 132,898ms 427,479ms

opóźnienie średnie 23,9813ms 50,6852ms 381,1649ms

średnia ilość gubionych pakietów w kolejkach

brak zgubionych pakietów 188 pakietów 746 pakietów

średnia ilość gubionych pakietów w MAC

brak zgubionych pakietów brak zgubionych pakietów brak zgubionych pakietów

Tabela 11.2.2.1 Wyniki symulacji HCCA.

Całkowite obciążenie HCCA utrzymywało się na poziomie 66%, a w przypadku występowania tylko ruchu poisson jego wartość oscylowała w granicach 41%. Z otrzymanych wyników można wyciągnąć wnioski, że bardzo dużą rolę odgrywa TSPEC (specyfikacja ruchu negocjowana pomiędzy stacją a punktem dostępowym). Gorsze parametry, mniejsze wymagania, skutkują zwiększeniem się opóźnień w transmisji (ruch typu background).

Kiedy jednak niektóre w przepływów zostaną wyłączone, obciążenie HCCA drastycznie zmaleje, wartości opóźnień utrzymują się na zadowalającym poziomie rzędu 20-30ms.

11.2.2.2 Graficzna interpretacja wynikówRysunek 11.2.2.2 pokazuje zależności opóźnienia pomiędzy poszczególnymi przepływami.

Zostały wybrane tylko pojedyncze przepływy stacji, aby w łatwy sposób uwidocznić jaki wpływa ma TSPEC na jakość transmisji, opóźnienie.

Rysunek 11.2.2.2 Czas wysłania pakietu a opóźnienie, HCCAWykres pokazuje, że sama funkcja HCCA bardzo słabo radzi sobie z transmisjami w tle.


11.2.3 HCCA, EDCAW tym scenariuszu czas pomiędzy kolejnymi transmisjami ramek beacon został podzielony,

w sposób równomierny, pomiędzy funkcję HCCA i EDCA.

11.2.3.1 Analiza wyników






brak zgubionych pakietów 173 pakietów 756**


brak zgubionych pakietów brak zgubionych pakietów brak zgubionych pakietów

Tabela 11.2.3.1 Wyniki symulacji EDCA,HCCA..** średnia ilość zgubionych pakietów przez 4 stacje. Pozostałe nie zgubiły ani jednego.

W przypadku tej symulacji duży wpływ na wyniki miały cztery stacje w przypadku których odnotowane zostały o wiele większe opóźnienia niż przy pozostałych. Mogło to być na przykład spowodowane tym, że obciążenie HCCA w pewnych momentach symulacji sięgało 100%. Inną możliwą przyczyną może być problem z samą implementacją funkcji HCF i niemożnością obsługi tak dużej liczby stacji. Problem ten dotyczy zwłaszcza stacji, które oprócz ruchu w tle dokonują także transmisji z kolejki poisson. Mimo to wartości opóźnień są na przyzwoitym poziomie. Zwłaszcza wynik dla kolejki audio jest znaczący. Opóźnienie nie przekracza 50ms (wartość reakcji ludzkiego ucha).

11.2.3.2 Graficzna interpretacja wyników

Rysunek 11.2.3.2 Czas wysłania pakietu a opóźnienie, EDCA i HCCA.


Wykres dobitnie pokazuje zwiększony poziom opóźnień u stacji, które oprócz ruchu w tle posiadają transmisję poisson. Pokazuje to, że dopóki szybkość transmisji z kolejek o wysokim poziomie utrzymywana jest na racjonalnym poziomie działanie w hybrydzie funkcji HCCA i EDCA pozwala w znaczny sposób zmniejszyć opóźnienia. Przykładowo STA4 dokonuje transmisji audioi background, a wykres pokazuje, że wartości opóźnień są w granicach akceptowalności.

11.2.4 EDCAScenariusz ten nie przewiduje w ogóle okna transmisyjnego dla funkcji HCCA. Cała trans

misja będzie odbywać się na zasadach rywalizacji poszczególnych kolejek AC o dostęp (opisanew rozdziale 7.2). Tabela 11.3.4.1 przedstawia parametry poszczególnych kolejek.

CWmin CWmax priorytet

kolejka audio 7 15 4

kolejka poisson 15 31 2

kolejka background

31 1023 1

Tabela 11.2.4 Parametry poszczególnych kolejek AC.

Parametry poszczególnych kolejek zostały dobrane w zależności od priorytetu ruchu. Wiadomo, że transmisja głosowa, gdy są duże opóźnienia, jest podatna na zniekształcenia, stąd posiada parametry gwarantujące kolejce audio najszybszy dostęp do medium.

11.2.4.1 Analiza wynikówTabel 11.2.4.1 przedstawia wyniki z symulacji.






brak zgubionych pakietów 1644 brak zgubionych pakietów


brak zgubionych pakietów 0,166 pakietów brak zgubionych pakietów

Tabela 11.2.4.1 Wyniki symulacji EDCA.

Na podstawie tabeli 11.2.4.1 można stwierdzić, że wyniki są nieco zaskakujące. Co ciekawe funkcja EDCA radzi sobie bardzo dobrze z transmisją audio i ruchem w tle. Świadczą o tym małe opóźnienia transmisyjne i całkowity brak zgubionych pakietów. Bardzo ciekawe jest zachowaniew przypadku ruchu poisson. Mimo wysokiego priorytetu i parametrów kolejki opóźnienia są bardzo wysokie. Może to być spowodowane charakterystyką tego rodzaju ruchu, jak i całkowitym brakiem okna dla funkcji HCCA. Zmiana parametrów poszczególnych kolejek (CWmin, Cwmax) może zaowocować mniejszymi opóźnieniami w transmisji poisson. Niestety kosztem tego jest prawie 100% wzrost tego współczynnika w przypadku pozostałych kolejek transmisyjnych. Nie ma to aż takiego znaczenia dopóki wartości te nie przekroczą 25ms. Dzieje się tak w momencie przypisania kolejce ruchu poisson tego samego priorytetu co kolejce audio i ustawieniu wartości CWmin, CWmax na


mniejsze niż dla pozostałych kolejek. Pozwala to zmniejszyć opóźnienia dla ruchu poisson ażo 25-30%.

11.2.4.2 Graficzna interpretacja wyników

Rysunek 11.2.4.2 Ilość wysłanych pakietów a opóźnienie. Funkcja EDCA

Rysunek 11.2.4.2 pokazuje, że EDCA bardzo faworyzuje kolejkę o najwyższym priorytecie. Nadaje się ona najlepiej do transmisji bardzo wrażliwych na zakłócenia.


12. PodsumowanieNa podstawie dostępnej literatury przedstawiono funkcje dostępu do medium transmisyjne

go z uwzględnieniem wymagań jakości transmisji. Ponadto zostały zrealizowane symulacje, których istotą stworzenia była analiza pod kątem spełniania przez WLAN wymagań transmisji czasu rzeczywistego, na przykład VoIP.

VoWLAN [61], to właśnie technologia dająca możliwość prowadzenia rozmów pod jurysdykcją standardu 802.11. Problemy, z którymi trzeba się zmierzyć wykorzystując ją, są następujące:– zapewnienie krótkiego czas przełączania pomiędzy punktami dostępowymi,– gwarancja zasobów przy poruszaniu się w celu zapewnienia jakości transmisji.

Analizując wyniki otrzymane w symulacjach można wyciągnąć wnioski, iż największe problemy stanowi roaming. Czas przekazywania pomiędzy AP, a także późniejsze gubienie pakietówi opóźnienia, mają duży wpływ na transmisję głosu. Powodują jej duże zniekształcenia mogące doprowadzić do całkowitego braku możliwości identyfikacji przekazywanych informacji przez nadawcę. Dlatego bardzo istotne jest niedawne zatwierdzenie standardu 802.11r i jego szybkie wdrożenie w sferę produkcyjną.

Natomiast analizując funkcję kontroli dostępu do medium w sposób satysfakcjonujący,z transmisją audio, radzi sobie funkcja 802.11e HCF. Wykresy i wyniki z tabel pokazują, że generuje ona relatywnie najmniejsze opóźnienia. Dobitnie to widać w przypadku funkcji EDCA, gdzie średnia wartość nie przekracza nawet 10ms. Kluczowym elementem w 802.11e HCF jest odpowiednie dobranie parametrów takich jak:– CWmin, CWmax kolejki AC odpowiadającej za transmisję dźwięku,– ustawienie najwyższego priorytetu transmisji bardzo wrażliwej na opóźnienia,– dobranie parametrów wymaganych przez HCCA, jak SI, wymagana długość TXOP.

Dzięki tym zabiegom istnieje możliwość, że opóźnienia w transmisji dźwięku nie będą przekraczać 25ms, przy jednoczesnym zachowaniu racjonalnych wartości w pozostałych przepływach.

Widać to w symulacji hybrydy HCCA, EDCA. Model ten generuje relatywnie mniejsze opóźnienia dla wszystkich z transmisji. Pozwala zachować nie tylko zadowalającą jakość transmisji dla kolejek o wysokim priorytecie, ale także radzi sobie z transmisjami w tle. Dzięki temu kluczowy problem zapewnienia jakości transmisji dla aplikacji czasu rzeczywistego jest zaadresowany.


Bibliografia[1] Imad Aad, Claude Castelluccia. „Differentiation mechanisms for IEEE 802.11”, 2001. IEEE Infocom, Anchorage, Alaska, USA.

[2] Pierre Ansel, Qiang Ni, and Thierry Turletti. "An Efficient Scheduling Scheme for IEEE 802.11e", marzec 2004. Accepted to appear in proceedings of WiOpt (Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc and Wireless Networks), Cambridge, UK.

[3] Pierre Ansel, Qiang Ni, and Thierry Turletti. "FHCF: A Fair Scheduling Scheme for 802.11e WLAN", lipiec 2003. INRIA Research Report No. 4883.

[4] N. Abramson. „Development of the ALOHANET”, 1985. IEEE Transactions on Information Theory.

[5] Cisco Systems, Inc. „LWAP”. [Online] http://www.cisco.com/en/US/tech/tk722/tk809/technologies_white_paper091860080901caa.shtml

[6] Sunghyun Choyi, Javier del Pedro, Sai Sankhar, Stefan Mangold. „IEEE 802.11e Contention-Based Channel Access (EDCF) Performance Evaluation”. Wireless Communications and Networking Philips Research, USA.

[7] Chih-Jung Chang. „IEEE 802.11e-MAC Enhancements for Quality of Service (QoS)”. Tamkang University.

[8] Colubris. „Intelligent Wireless Networking: The Colubris Product Solution”.[Online] http://www.colubris.com/content.asp?catref=Colubris_System+Overview&name=Colubris_Products

[9] Xavier Perez Costa, Daniel Camps-Mur. „ AU-APSD”, 2006. IEEE ICC.

[10] Jiunn Deng, Ruay-Shiung Chang. „A priority scheme for IEEE 802.11 DCF Access Method”, styczeń 1999. IEICE Trans. Community.

[11] Weiwei Fang, Hengheng Qian. „JTrana”, program do analizy pliku z symulacji. School of Computer Science and Engineering, Beihang University, P.R.China. [Online] http://ns2trana.googlepages.com/

[12] Jose R. Gallardo, Paul Medina, Weihua Zhuang., „QoS Mechanisms for the MAC Protocol of IEEE 802.11 WLANs”, lipiec 2006. Springer Science, Business Media.

[13] Aura Ganz, Anan Phonphoem. „Robust SuperPoll with Chaining Protocol for IEEE 802.11 Wireless LANs in Support of Multimedia Applications”, 2001. Wireless Networks 7, strony 65–73.

[14] Mathew Gast. „802.11® Wireless Networks The Definitive Guide”, kwiecień 2005. O'reilly

[15] GAWK, „Effective AWK Programming: A User's Guide for GNU Awk”[Online] http://www.gnu.org/software/gawk/manual/gawk.html


[16] Nidhi Hegde, Alexandre Proutiere, James Roberts. „Evaluating the voice capacity of 802.11 WLAN under distributed control”. France Telecom R & D Division.

[17] Shih-Feng Hsu, Yi-Bing Lie. „Selecting transition process for WLAN security”,2007. Wireless communications and mobile computing.

[18] Dr.S.A Hussain, K. Zia, M.T Khan, S. Ahmad, U. Farooq. „Dynamic Contention Window for Quality of Service in IEEE 802.11 Networks”. Punjab University College of Information Technology, University of the Punjab, Lahore, Pakistan

[19] Colin Kelley, Thomas Williams,. „Gnuplot”. GNU Public License[Online] http://www.gnuplot.com

[20] IEC. „Multiprotocol label switching”. The international engennering consortium

[21] IEEE 802.11 WG. „InternationalStandard [for] Information Technology-Telecommunications and information exchangebetween systems-Local and metropolitan area networks-Specic Requirements- Part 11:WirelessLAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specications”, 2007 edition. IEEE

[22] IEEE 802.11 WG. „IEEE Std 802.11-1997 Information Technology- telecommunications And Information exchange Between Systems-Local And Metropolitan Area Networks-specific Requirements-part 11: Wireless Lan Medium Access Control (MAC) And Physical Layer (PHY) Specifications”, 1997. IEEE

[23] IEEE 802.11 WG. „IEEE Trial-Use Recommended Practice for Multi-Vendor Access Point Interoperability via an Inter-Access Point Protocol Across Distribution Systems Supporting IEEE 802.11™ Operation”, 2003. IEEE

[24] IEEE 802.11 WG. „IEEE Standard for Information technology Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks Specific requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 1: Radio Resource Measurement of Wireless LANs”, 2008. IEEE [25] IEEE 802.11 WG. „IEEE Standard for Information technology Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks Specific requirementsPart 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment 6: Medium Access Control (MAC) Security Enhancements”, 2004. IEEE

[26] IEEE 802.11 WG. „IEEE Standard for Information technology Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks Specific requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 2: Fast Basic Service Set (BSS) Transition”, lipiec 2008. IEEE

[27] IEEE 802.11 WG. „IEEE Standard forInformation technology Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks Specific requirementsPart 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specificationsAmendment 5: Spectrum and Transmit Power Management Extensions in the 5 GHz band in Europe”, 2003. IEEE


[28] IEEE 802.16WG. „IEEE standard for local and metropolitan networks. Part 16: Air Interface for Fixed and Broadband Wirless Access Systems”, 2004. IEEE

[29] IETF. „Differentiated Services”, grudzień 1998. RFC 2475. [Online] http://www.ietf.org/rfc/rfc2475.txt

[30] IETF. „Integrated Services”, listopad 2000. RFC 2998. [Online] http://www.ietf.org/rfc/rfc2998.txt

[31] IETF. „MPLS”, styczeń 2001. RFC 3031 [Online] http://www.ietf.org/rfc/rfc3031.txt

[32] Intel. „Providing QoS in WLANs”. Intel

[33] Anders Lindgren, Andreas Almquist, Olov Schel´en. „Evaluation of Quality of Service Schemes for IEEE 802.11Wireless LANs”. Division of Computer Science and Networking Department of Computer Science and Electrical Engineering

[34] Hang Liu. „Video Transmission over Wireless LAN”. Thomson

[35] Netgear. [Online] http://www.netgear.com/Solutions.aspx

[36] Jarosław Malek. „Tracegraph”, program do analizy pliku z symulacji. [Online] http://www.tracegraph.com/

[37] Stephen Mangold. „Analysis of IEEE 802.11e and Application of Game Models for Support of Quality-of-Service in coexisting wireless networks”, czerwiec 2003.

[38] Mobile network, definicja. Network Dictionary[Online] http://wiki.networkdictionary.com/index.php/Mobile_Network

[39] MIMO, definicja.[Online] http://en.wikipedia.org/wiki/Multiple-input_multiple-output

[40] Qiang Ni, Pierre Ansel, Thierry Turletti. „NS-2 FHCF implementation” [Online] http://www-sop.inria.fr/planete/qni/

[41] NS-2 manual, sierpień 2008. [Online] http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-documentation

[42] NS-2.33 [Online] http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-build.html

[43] Anan N. Prasad, Nelli R. Prasad. „802.11 WLANs and IP networking security, QoS, mobility”. Artech House Universal Personal Communications Series

[44] Proxim. Proxim Wireless Solutions [Online] http://www.proxim.com/solutions/


[45] M.S Rawat. „Interoperability of 802.11 with 802.11e”. KReSIT IIT Bombay

[46] Qiang Ni, Lamia Romdhani, Thierry Turletti and Imad Aad. "QoS Issues and Enhancements for IEEE 802.11 Wireless LAN", październik 2002. INRIA Research Report No. 4612.

[47] Qiang Ni, Lamia Romdhani, and Thierry Turletti. "A Survey of QoS Enhancements for IEEE 802.11 Wireless LAN". Wiley Journal of Wireless Communication and Mobile Computing (JWCMC), 2004. John Wiley and Sons Ltd. Volume 4, Issue 5: 547-566.

[48] Qiang Ni, and Thierry Turletti. "QoS Support for IEEE 802.11 WLAN", Nova Science Publishers, New York, USA, 2004.

[49] IETF. „Quality of service”. RFC 2212, wrześień 1997. [Online] http://www.ietf.org/rfc/rfc2212.txt

[50] Naomi Ramos, Debashis Panigrahi, Sujit Dey. „Quality of Service Provisioning in 802.11e Networks: Challenges,Approaches and Future Directions”, 2005. University of California at San Diego

[51] Lamia Romdhani, Qiang Ni, and Thierry Turletti. "Adaptive EDCF: Enhanced Service Differentiation for IEEE 802.11 Wireless Ad Hoc Networks", 16-20 marzec, 2003. IEEE WCNC'03 (Wireless Communications and Networking Conference), New Orleans, Louisiana, USA.

[52] Sumit Roy, Ilango Purushothaman. „Infrastructure mode support for IEEE 802.11 implementation in NS-2”. Department of EE, University of Washington. [Online] http://ee.washington.edu/research/funlab/802_11/report_80211_IM.pdf

[53] G.A. Safdar and W.G. Scanlon. „Improved power-saving medium-access protocol forIEEE 802.11e QoS-enabled wireless networks”, 2007. IET Communications

[54] Atur Salhotra, Ravi Narasimhan, Rahul Kopikare. „Evaluation of Contention Free Bursting in IEEE 802.11e Wireless LANs”. Jack Basking School of Engineering Santa Cruz

[55] Joao L. Sobrinho, A. S. Krishnaukumar. „Real-time traffic over the IEEE 802.11 Medium Access Control”,1996. Bell Labs Technical Journal

[56] Ilenia Tinnirello, Sunghyun Choi. „Efficiency Analysis of Burst Transmissions with Block ACK in Contention-Based 802.11e WLANs”, marzec 2005. University of Palermo, Seoul National University

[57] Xiu Wei. „Analysis of Quality of Service of Wireless LAN for IEEE 802.11e”, luty 2004. Information Networks Division

[58] Zhibin Wu. „NS-2 simulator wireless tutorial”, czerwiec 2003. WINLAB Rutgers University [Online] http://www.winlab.rutgers.edu/~zhibinwu/html/network_simulator_2.html

[59] Nitin H. Vaidya, Paramvir Bahl, Seema Gupta. „Distributed fair scheduling in wireless LAN”. National science foundation


[60] Andras Veres, Andrew T. Campbell, Michael Barry, Li-Hsiang Sun. „Supporting service differentation in wireless packet network using distributed control”, październik 2001. IEEE journal on selected areas in telecommunications.

[61] VoWlan, definicja, maj 2007. [Online] http://searchmobilecomputing.techtarget.com/sDefinition/0,,sid40_gci1113876,00.html


Zawartość płyty CD.

Wraz z pracą dołączona jest płyta CD zawierająca następujące rzeczy:1. Wykorzystywane do napisania publikacje, zawarte w bibliografii.2. Programy na bazie których stworzone zostały symulacje i ich analiza:

- jTrana- Tracegraph- Gnuplot- Ghostscript- NS-2.33- NS-2.1b7 HCF- matlab 6.0

3. Skrypty symulacji wraz z plikami „śladu” działania.4. Wszystkie rysunki i wykresy występujące w pracy.5. Praca w wersji elektronicznej.


QoS w sieciach (W)LANzskl.p.lodz.pl › ~morawski › Dyplomy › Praca dyplomowa p... · Marcin...

Documents

Transcript of QoS w sieciach (W)LANzskl.p.lodz.pl › ~morawski › Dyplomy › Praca dyplomowa p... · Marcin...