Основные особенности моделирования протоколов IEEE 802.11

В предыдущей статье мы рассмотрели модель канала и ее место в имитационной модели сети.  Ниже мы сосредоточимся на нескольких основных особенностях протоколов IEEE 802.11.

Известно , что для обеспечения надёжной доставки пакетов, в протоколах IEEE 802.11 используется механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acsses with Collisuon Avoidance) – механизм множественного доступа с контролем несущей частоты и предотвращением коллизий. 
Основной принцип действия этого механизма достаточно прост и заключается в следующем:

1) перед началом передачи каждое устройство слушает эфир и дожидается, когда канал освободится;

2) канал считается свободным, если, в течение заданного интервала времени - IFS, не обнаружено признаков активности каких-либо других станций;

3) если в течение интервала IFS канал оставался свободным, то рассматриваемое устройство выбирает случайный интервал времени отсрочки, и ещё раз убедившись в том, что канал свободен, передаёт пакет.

Далее, если пакет или кадр предназначен конкретному устройству, то приёмник, успешно приняв пакет, посылает передатчику короткий кадр «квитанции» - ACK (ACKnowledge). При этом если передатчик не принял «квитанции», попытка передачи кадра считается неудачной.

При широковещательной передаче информации квитирование пакетов не производится.

 Стандарт IEEE 802.11 предусматривает два механизма контроля активности в канале: физический и виртуальный.

Первый из них реализован на физическом уровне и сводится к определению уровня сигнала в антенне и его сравнению с заданной пороговой величиной.

Виртуальный механизм основан на том, что в передаваемых кадрах данных, а также служебных (управляющих) кадрах содержится информация о времени, необходимом для передачи пакета (или группы пакетов) и получения подтверждения.

Все устройства сети получают информацию о текущей передаче  и могут определить, сколько времени канал будет занят.

Как только станция фиксирует момент окончания передачи кадра, она обязана отсчитать межкадровый интервал IFS.

Если в процессе отсчёта этого интервала канал остаётся свободным, то начинается отсчет слотов – коротких интервалов времени фиксированной длины, число которых ограничено. Номер слота выбирается как случайное число, равномерно распределённое в интервале [0, CW] то есть в интервале конкурентного окна.

Рассмотрим этот процесс на примере, представленном на рисунке 1:

Рисунок 1

Пусть станция «А» выбрала для передачи слот 3. Тогда, после завершения интервала ожидания квитанции - T_IFS, она будет проверять состояние канала в начале каждого слота. Если канал свободен, то из значения таймера отсрочки вычитается единица, и, когда его значение станет равным нулю, начинается передача кадра. Если же в начале какого-либо слота канал окажется занятым, то вычитание единицы не производится, и таймер «замораживается». В этом случае станция «А» осуществляет следующую попытку захвата канала, изменяя только алгоритм выбора слота для передачи.

Как и в предыдущей попытке, данная станция следит за каналом и при его освобождении выдерживает паузу T_IFS. При освобождении канала, станция «А» использует значение «замороженного» таймера в качестве номера слота и выполняет описанную выше процедуру проверки свободных слотов с вычитанием единиц, начиная с «замороженного» значения.     

Очевидно, что при моделировании поведения системы связи желательно, чтобы этот процесс был представлен в максимально упрощенной форме – в виде формального описания причинно-следственных связей между событиями, а также алгоритмов определения интервалов между такими событиями.

В частности,  (см. рисунок 1),  процесс передачи кадра может быть представлен как последовательность следующих событий:

- освобождение канала;

- начало передачи кадра;

- завершение передачи.

Интервал времени между событиями «освобождение канала» и «начало передачи кадра» может быть представлен как сумма двух величин: T_IFS и T_отср.

В свою очередь, величина T_IFS может быть определена как константа, а величина T_отср (при идеальном стечении обстоятельств) – может быть определена с помощью простейшего выражения (1.1): 

Tотср = nср Tсл

(1.1)

где

- n_ср – среднее значение числа на интервале [0, CW] , которое в реальности выбирается случайным образом;

-  T_сл – условная единица времени («тик»), соответствующая промежутку времени, затрачиваемому на один слот.

Интервал времени между началом и завершением передачи кадра может быть определён как функция от длины пакета. Причём, при вычислении этого интервала, должны быть учтены особенности передачи данных, которые присущи IEEE 802.11 при использовании каналов высокой производительности.

Например, в спецификациях IEEE 802.11b и IEEE 802.11g,  время передачи кадра складывается из двух составляющих:

1) времени передачи преамбулы и заголовка физического уровня - T_заг, которые передаются с низкой скоростью – V_заг=1 Мбит/c, которое определяется произведением (1.2):  

Tзаг = Lзаг Vзаг

(1.2)

где L_заг – длина заголовка в битах;

2)  времени передачи MAC-части кадра – T_MAC, которая может передаваться с более высокой скоростью - V_MAC=5.5 или 11 Мбит/c, и составлять величину (1.3):

TMAC = LMAC VMAC

(1.3)

где L_MAC – длина MAC-части

Имея величины T_заг и T_MAC можно вычислить время передачи кадра, выраженное в условных единицах – «тиках». Для этого достаточно воспользоваться выражением (1.4):

Tпрд = (Tзаг + TMAC) / Tсл

(1.4)

1.2.5. Однако, в общем случае, причинно-следственные связи между подобными событиями не так уж и просты - при составлении формального описания процессов передачи кадров, следует учитывать поведение приёмных и передающих станций в более сложных ситуациях, а именно:

- при возникновении коллизий, когда на один и тот же канальный ресурс  претендуют две или более станций;

- при отсутствии радиослышимости между отдельными станциями;

- при наличии радиопомех.

Причём, необходимость учёта подобных явлений связана не только со спецификой каналов и устройств Wi-Fi вообще, но и с другими, пока ещё не разрешёнными проблемами. Наиболее сложная из них – проблема скрытых станций, суть которой заключается в следующем.

В беспроводных сетях возможны ситуации, когда два станции – «A» и «B» удалены и не слышат друг друга, но обе попадают в зону охвата третьей станции – «C». Такая ситуация изображена на рисунке 2:                       

Рисунок 2

Если, при таких условиях, станции «A» и «B» начнут передачу в направлении станции «С», то они не смогут обнаружить конфликтную ситуацию и определить, почему пакеты не проходят.

В доступных реализациях IEEE 802.11 эта проблема решена, но лишь частично. Для того, чтобы предотвратить коллизии, в них предусмотрена возможность обмена очень короткими служебными кадрами - RTS и CTS.

Первый из них – RTS (Request To Send – запрос на передачу), отправляется источником кадра (например, станцией «А») и оповещает станцию «С» о необходимости передачи кадра заданной длины. Второй – CTS (Clear To Send – свободна для передачи), формируется станцией «С» и оповещает все смежные станции о том, что, в соответствующий промежуток времени, эфир будет занят, и предоставлен станции «А». Получив такой кадр, станция «А» получает право доступа к каналу, а конкурирующая с ней станция «B» должна «уступить» эфир до завершения работы станции «А».

Следует отметить, что, даже при наличии такого механизма, риск коллизий не исключён, но будет существенно снижен. Это достигается тем, что RTS- и CTS-кадры гораздо короче, чем кадр данных. Например, максимальная длина кадра данных в IEEE 802.11 равна 2346 байт, длина RTS-кадра – 20 байт, а длина CTS-кадра – 14 байт.

 Однако, такой режим доступа не всегда возможен. Для того чтобы реализовать его на практике, необходимо включение в сеть специальных точек доступа, которые должны выполнять роль арбитров в такого рода конфликтах.

Существует ещё одна, схожая проблема. В сети Wi-Fi могут сосуществовать две спецификации протоколов IEEE 802.11 – IEEE 802.11b и IEEE 802.11g.  Частично, эти спецификации совместимы, поскольку, на одних скоростях передачи, они используют один и тот же метод модуляции, на других – нет. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно заглянуть в таблицу 1.1:

Таблица 1.1

Скорость Мбит / c	Тип модуляции
	IEEE 802.11g	IEEE 802.11b
1	Последовательность Баркера	Последовательность Баркера
2	Последовательность Баркера	Последовательность Баркера
5.5	CCK	CCK
6	OFDM	-
11	CCK	CCK
12	OFDM	-
24	OFDM	-

Вспомним теперь, что основной принцип  IEEE 802.11 –  «слушать, прежде чем вещать». Но устройства типа IEEE 802.11b не способны услышать устройства IEEE 802.11g  в  OFDM-режиме. Возникает проблема, аналогичная проблеме  скрытых станций.

Очевидно, что рассмотренные выше проблемы должны быть учтены при имитационном моделировании.

На первый взгляд, эти проблемы могут быть учтены достаточно просто – условия радиослышимости могут быть заданы исходными данными, оформленными в виде неориентированного графа, вершины которого соответствуют станциям (узлам сети), а дуги – «пригодным» радиолучам.

Однако, не всё так просто. Известно, что радиоволна, в процессе её распространения в пространстве, занимает объём в виде эллипсоида вращения с максимальным радиусом в середине пролёта, который называют зоной Френеля (см. рисунок 3).

Рисунок 3

Естественные и искусственные преграды, попадающие в это пространство, ослабляют сигнал. Причём ослабление сигнала зависит от следующих параметров:

- расстояний от антенн до самой высшей точки предполагаемого препятствия (в  километрах) – S и D;

 - частоты (в ГГц);

На основании этих данных может быть найден радиус зоны Френеля – R, который позволяет оценить затухание в канале (более детально об этом – в подразделе 2.3).

Таким образом, наличие скрытых станций в сети может быть учтено ещё на стадии подготовки исходных данных для моделирования.

На этой же стадии могут быть заданы  вероятности успешной доставки пакетов по заданным радиолучам  - будем считать, что далеко не все моделируемые процессы должны имитироваться «буквально», то есть в полном соответствии с поведением оригинала. Часть из них может быть представлена в виде аналитических моделей, которые позволят получить интересующие нас результаты с использованием численных методов, с помощью которых имитационная модель сможет заранее «предсказать» исходы тех или иных процессов.

Исходя из этой предпосылки, попытаемся оценить возможность и целесообразность использования таких методов, и, на основании этих оценок, уточнить облик имитационной модели.
Далее приводится один из многих, возможных вариантов формального представления сети. Следует отметить, что в реальных системах имитационного моделирования чаще всего сеть описывается графом(соответствующими программными абстракциями). Мы же рассмотрим представления графа сети с академической стороны - с помощью матриц.