Адаптивный подход к оптимизации производительности беспроводных сетей
Сложные и перенаселенные беспроводные среды
Среды с высокой плотностью пользователей
Адаптивное управление MAC-уровнем
еспроводные
сети 802.11 приобретают все большую популярность, появляясь в самых разных местах
— от домов и офисов до общественных точек беспроводного доступа в кафе и ресторанах.
Благодаря тому что беспроводные локальные сети 802.11 работают в нелицензируемых
диапазонах радиочастотного спектра, их развертывание не требует больших затрат
времени и средств. Появление множества устройств, поддерживающих технологию
Wi-Fi, дает свободу выбора и возможности для экономии как корпоративным, так
и домашним пользователям. Например, ноутбуки на базе платформы Intel Centrino
для мобильных ПК уже имеют встроенную поддержку беспроводных технологий 802.11.
Беспроводные локальные сети обладают целым рядом преимуществ по сравнению с
традиционными проводными сетями. Так, для работы в сети пользователь не обязательно
должен находиться за рабочим столом или рядом с розеткой локальной сети. Теперь
пользователь может свободно перемещаться, например, от своего стола в лабораторию
и затем в зал заседаний, не отключаясь каждый раз от сети и не подключаясь к
ней на новом месте. Как показывают исследования, пользователи беспроводных локальных
сетей получают множество преимуществ, в том числе повышение продуктивности работы,
экономию времени, возможность сетевого доступа практически из любого места.
Кроме того, может оказаться, что на новом месте будет дешевле развернуть беспроводную
локальную сеть, чем традиционную проводную.
Однако количество пользователей, работающих в нелицензируемом диапазоне частотного спектра, с каждым днем увеличивается, что приводит к усилению помех и повышению уровня шума в конкретной сети. Беспроводные сети становятся настолько популярными и распространенными, что дальнейший рост пользовательского спроса создает множество новых серьезных проблем.
Роуминг между точками доступа по-прежнему не является быстрым и незаметным для пользователя, а эффективные средства ограничения загрузки сети отсутствуют. Другая проблема — неравномерное распределение пропускной способности: существующие решения для совместного использования полосы пропускания не приспособлены для объединения каналов. Наконец, беспроводные локальные сети не всегда хорошо совместимы с сотовыми сетями, использующими другие подходы к управлению радиочастотными ресурсами.
Сложные и перенаселенные беспроводные среды
з-за
резкого роста спроса на беспроводные локальные сети ситуация в этом сегменте
далека от идеальной. Пользователи могут столкнуться с множеством неудобств,
поскольку в короткие промежутки времени беспроводные среды могут претерпевать
существенные изменения. В одном офисе или доме может функционировать множество
устройств, использующих тот же нелицензируемый частотный диапазон, в котором
работает и беспроводная сеть 802.11 — это и устройства Bluetooth, и СВЧ-печи,
и беспроводные телефоны, причем все они могут создавать серьезные помехи для
сети. Кроме того, отсутствуют единые отраслевые стандарты в области эффективного
управления беспроводными сетями.
Например, в переполненном кафетерии из-за большого количества пользователей могут возникать проблемы с пропускной способностью на уровне узлов доступа. Работающие там же устройства Bluetooth и СВЧ-печи могут, в свою очередь, создавать помехи для беспроводной локальной сети. Для пользователя все эти проблемы проявляются в виде замедленного доступа к Интернету, медленной загрузки файлов и общего снижения производительности. Другая, хотя и более редкая проблема может возникать в ситуации, когда мешающие сигналы настолько сильны, что доступ клиентских устройств к беспроводной сети становится вообще невозможным.
До последнего времени большинство исследований по повышению качества работы беспроводных сетей было направлено в основном на корректировку какого-либо одного параметра MAC-уровня (уровень доступа к среде передачи). Однако беспроводная среда может страдать от множества факторов, начиная с помех и низких уровней сигнала и заканчивая коллизиями пакетов, в результате которых резко увеличивается количество попыток, необходимых для отправки каждого пакета. Динамическая среда порождает многообразные проблемы, которые невозможно разрешить корректировкой одного параметра.
Например, при высоком уровне помех возникает соблазн снизить скорость передачи, чтобы улучшить пропускную способность устройства. Однако снижение скорости передачи означает, что каждый пакет будет проводить больше времени «в эфире» на пути от передатчика к приемнику, вследствие чего увеличивается вероятность коллизий с другими пакетами. Иначе говоря, при изменении скорости передачи может потребоваться одновременное изменение другого параметра MAC-уровня во избежание коллизий пакетов. Изменение лишь одного параметра, скорее всего, даст лишь частичное повышение производительности.
 |
|
Среды с высокой плотностью пользователей
ще
одна нетривиальная проблема связана с тем, каким способом беспроводное устройство
выбирает узел доступа для установления связи. В беспроводной сети каждое мобильное
устройство поддерживает связь с узлом доступа. В настоящее время устройства
выбирают узлы доступа по величине сигнала — это позволяет определить ближайший
к устройству узел доступа. К сожалению, большая величина сигнала не обязательно
означает хорошую пропускную способность. Например, если большинство находящихся
в конференц-зале ноутбуков установят связь с беспроводной сетью через узел доступа,
расположенный над дверью в зал, то общее количество компьютеров, подключившихся
к этому узлу, будет исчисляться десятками, если не сотнями. В то же самое время
другие узлы доступа в зале окажутся недозагруженными.
Перегруженные узлы доступа — это не просто неэффективное использование ресурсов. В современных беспроводных локальных сетях для организации доступа устройств к сети используется так называемая функция распределенной координации (DCF). Эффективность этой функции напрямую зависит от загрузки каналов и количества пользователей, подключенных к узлу доступа. Если узел доступа перегружен, пропускная способность в расчете на одного пользователя падает. В результате производительность снижается для всех пользователей, а не только для тех, кто подключился последним.
Беспроводные устройства должны быть в состоянии переключаться с одного узла доступа на другой при возрастании загрузки беспроводной среды или при других подобных изменениях. Реализация таких динамических интеллектуальных функций требует алгоритмов с высокой степенью адаптивности, способных корректировать в реальном времени сразу несколько параметров.
|
|
Новый стандарт 802.11k
ерегрузка
узлов доступа и динамическая природа беспроводной среды ставят перед пользователями
задачи повышения и поддержания производительности беспроводной сети. Для решения
этой задачи компании отрасли сформировали в рамках IEEE рабочую группу 802.11k,
которая занимается разработкой расширений существующих стандартов 802.11 в области
управления радиоресурсами (RRM). Технология RRM должна улучшить оценку производительности
узлов доступа и клиентских устройств, а также состояния среды в целом, чтобы
повысить производительность и управляемость сети.
Данные измерений, полученные в рамках спецификации 802.11k, передаются для дальнейшего анализа драйверам вышележащих уровней. Анализируя эти данные, беспроводное устройство, подключающееся к беспроводной сети или переходящее из одной сети в другую, может оценивать качество сигнала, загрузку каналов и другие факторы.
Помимо измерения мощности сигнала, предусмотренного стандартом 802.11h, нынешняя версия спецификации 802.11k рекомендует измерение следующих новых параметров:
• Channel Load (загрузка каналов);
• Noise (уровень шума);
• Histogram (гистограмма);
• Beacon Frame (кадры-маяки);
• Hidden Node (скрытые узлы);
• Medium Sensing (измерение характеристик среды передачи);
• Time Histogram (временная гистограмма);
• STA Statistics (статистика станции или устройства).
Проект стандарта 802.11k в настоящее время находится в стадии рассмотрения. Ожидается, что голосование по утверждению этого стандарта состоится в конце текущего года.
|
|
Адаптивный подход
начительная
часть исследований по улучшению работы беспроводных локальных сетей посвящена
адаптивной настройке, позволяющей устройству оптимизировать свои параметры в
зависимости от характеристик среды. Корпорация Intel довольно давно ведет исследования
в области сложных динамических беспроводных сред, в результате чего были созданы
два динамических интеллектуальных адаптивных алгоритма.
Эти алгоритмы позволяют беспроводному устройству динамически оптимизировать сразу несколько параметров доступа к среде передачи (MAC-уровень) в ответ на изменения среды, в которой работает устройство. Это означает, что устройство само изменяет свои параметры, выбирая наиболее подходящий узел доступа, минимизирует влияние помех, оптимизирует работу беспроводной локальной сети и улучшает условия работы пользователей.
Поскольку весьма трудно прогнозировать состояние среды, окружающей беспроводное устройство, то почти невозможно заранее выбрать набор параметров, который гарантирует оптимальную производительность всех приложений. Адаптивные алгоритмы решают эту проблему, позволяя устройству самостоятельно корректировать свои настройки по мере изменения среды — если, например, внезапно исчезает помеха или возникает перегрузка узла доступа. Эти алгоритмы также упрощают развертывание беспроводных устройств, поскольку разработчикам не приходится строить догадки относительно характера сетевого трафика, с которым будет работать устройство в процессе эксплуатации.
|
|
Выбор наилучшего узла доступа
ервый
из новых алгоритмов корпорации Intel помогает беспроводному устройству выявлять
и выбирать наилучший из имеющихся узлов доступа. В рамках этого алгоритма устройство
собирает информацию о соотношении «сигнал/шум», о загрузке каналов и трафике
конкретного узла доступа и о беспроводной локальной сети в целом.
В беспроводной сети каждое мобильное устройство поддерживает связь с узлом доступа в рамках базовой зоны обслуживания (Basic Service Set, BSS). Мобильные устройства периодически принимают от различных узлов доступа кадры-маяки (beacon frames). В зависимости от интенсивности принятых сигналов мобильная станция может выбирать, к какому узлу доступа ей подключаться. Однако большая интенсивность принятого сигнала не гарантирует, что выбранная базовая зона обслуживания предоставит мобильной станции максимальную пропускную способность. Причина состоит в том, что в существующих беспроводных локальных сетях в качестве механизма доступа к среде передачи используется функция распределенной координации (DCF).
Эффективность этой функции напрямую зависит от загрузки каналов и от количества пользователей, подключенных к узлу доступа. Пропускная способность в расчете на узел, а вместе с ней и производительность падают при увеличении количества пользователей, пользующихся каналом. Если же станция выбирает узел доступа исходя исключительно из качества принятого сигнала, и отказывается от соединения с менее загруженным узлом, это ухудшает использование сети.
Разработанный Intel алгоритм выбора оптимального узла доступа предусматривает определение характеристик канала и оценку пропускной способности на основе соотношения «сигнал/шум» и загруженности узла. В зависимости от оцениваемой пропускной способности, для каждого из имеющихся узлов доступа мобильное устройство выбирает, к какому из них лучше подключиться.
Одновременно анализируя несколько факторов, беспроводное устройство может выбрать такой узел доступа, который обеспечит самую лучшую пропускную способность, а не просто узел с максимальным уровнем сигнала. Это позволяет распределить нагрузку со стороны пользователей по множеству узлов доступа и повысить общую эффективность работы сети.
|
|
Адаптивное управление MAC-уровнем
орпорация
Intel ведет и разработку адаптивного управления MAC-уровнем. Этот алгоритм,
также предусматривающий анализ характеристик беспроводной среды, должен дать
беспроводному устройству возможность динамически менять различные параметры
MAC-уровня в зависимости от изменений среды. Как и алгоритм выбора наилучшего
узла доступа, адаптивный алгоритм управления MAC-уровнем пытается найти оптимальные
настройки для конкретной среды. Алгоритм учитывает:
• скорость передачи, которая определяется целевым значением частоты ошибочных битов (BER) при заданном соотношении «сигнал/шум». При разных скоростях передачи используются различные методы модуляции, поэтому для поддержания требуемого значения BER следует правильно выбрать скорость передачи;
• порог фрагментации, определяющий размер MAC-кадров (из которых состоят пакеты), передаваемых по радиоканалу. Если порог слишком мал, то накладные расходы, связанные с заголовками MAC- и физического уровней, снижают общую пропускную способность, доступную клиентскому устройству. Если же порог чересчур велик, MAC-кадры становятся уязвимыми для помех;
• порог RTS (готовность к передаче), который определяет, требуется ли обмен сигналами RTS-CTS перед передачей MAC-кадра. Обмен кадрами RTS-CTS служит для резервирования среды передачи перед передачей кадров данных, чтобы исключить коллизии в среде передачи.
В типичном офисе в одном нелицензируемом диапазоне частотного спектра обычно работает несколько устройств. При этом к каждому узлу доступа, как правило, тоже подключено несколько беспроводных устройств. В такой ситуации беспроводные устройства снижают скорость передачи из-за увеличения уровня помех по сравнению с уровнем сигнала совместно используемого узла доступа.
При применении адаптивного алгоритма одновременно со снижением скорости передачи данных снижается и порог RTS. Это уменьшает вероятность коллизий при одновременной передаче нескольких пакетов. Меняется и порог фрагментации с целью установления наилучшего размера для новых пакетов. Проблема состоит в том, чтобы определить оптимальную конфигурацию для множества взаимосвязанных параметров. Изменение одного параметра (например, скорости передачи) влияет на оптимальные значения других параметров (например, порога RTS).
Изменение одного отдельно взятого параметра — не лучший, в принципе, способ адаптации беспроводного устройства к постоянным изменениям сложно устроенной среды. По сути, адаптивный алгоритм управления MAC-уровнем пытается найти такой набор параметров, который способен обеспечить оптимальную общую пропускную способность беспроводного устройства.
По материалам журнала Technology@Intel
