Пропускная способность сетей 802.11

Рабочая группа IEEE ® 802.11™ постоянно добавляет функции в спецификацию 802.11 [1] для повышения пропускной способности и надежности сетей WLAN. Пропускная способность - это объем данных, передаваемых за определенный период времени. Пропускная способность уровня управления доступом к среде (MAC) относится к количеству данных, успешно переданных уровнем MAC за определенный период времени. Блок данных протокола MAC (MPDU) является блоком передачи на уровне MAC. В 802.11n была введена агрегация MPDU для увеличения пропускной способности. Когда поддерживается агрегирование MPDU, уровень MAC агрегирует несколько MPDU в агрегированный MPDU (A-MPDU) для передачи. Это уменьшает издержки канальной конкуренции для передачи множества кадров, что приводит к увеличению пропускной способности. В 802.11ac [1] и 802.11ax [2] максимальные ограничения для длины A-MPDU были увеличены, что привело к еще большей пропускной способности в сетях WLAN.

Сеть модели 802.11

В этом примере моделируется сеть WLAN с пятью узлами, как показано на этом рисунке. Эти узлы реализуют множественный доступ с учетом несущей с предотвращением коллизий (CSMA/CA) с физическим восприятием несущей и виртуальным восприятием несущей. Физическое обнаружение несущей использует механизм оценки свободного канала (CCA), чтобы определить, занята ли среда перед передачей. Тогда как обнаружение виртуальной несущей использует квитирование RTS/CTS для предотвращения проблемы скрытого узла.

Модель в примере отображает различные статистические данные, такие как количество переданных, принятых и отброшенных пакетов на уровнях PHY и MAC. Кроме того, в этой модели также отображаются показатели времени выполнения, которые помогают в анализе/оценке производительности на уровне узла и сети. Эта модель проверяется на соответствие опубликованным результатам калибровки из группы задач TGax [4] для сценариев вставок 3 (тесты 1a, 1b и 2a), указанных в методологии оценки TGax [3].

Сеть WLAN

Компоненты узла WLAN

Компоненты узла WLAN показаны на этом рисунке. Информация извлекается нажатием кнопки со стрелкой для каждого узла на приведенном выше рисунке.

Расширения приложений, EDCA MAC и PHY Block

Этот пример представляет собой усовершенствование по сравнению с моделью сети 802.11a с использованием PHY и MAC. Дополнительные сведения о каждом уровне в узле WLAN см. на странице примера документации. Приложение, MAC EDCA и блоки PHY, используемые в этом примере, имеют эти усовершенствования по сравнению с моделированием сети с использованием нескольких узлов 802.11a с PHY и MAC.

Приложение:

Прикладной уровень имеет возможность создавать данные с различными уровнями приоритета, как показано на этом рисунке. Эти уровни приоритета настраиваются с помощью Access Category свойство в параметрах маски блока Application Traffic Generator в узле WLAN.

MAC EDCA:

MAC-блок EDCA, используемый в этом примере, имеет эти усовершенствования по сравнению с MAC-блоком, используемым в моделировании сети с несколькими узлами 802.11a с использованием PHY и MAC.

PHY:

Возможность генерации и декодирования сигналов форматов не-HT, HT-MF, VHT, HE-SU и HE-EXT-SU

Измерение пропускной способности

Пропускная способность варьируется для различных параметров конфигурации, относящихся к приложениям, уровням MAC и PHY. Любое изменение конфигурации может либо увеличить, либо уменьшить пропускную способность. Для измерения и анализа пропускной способности можно изменить комбинацию этих параметров.

Наряду с вышеперечисленными параметрами можно также изменять положения узлов, коэффициенты усиления передачи и приема, потери канала, количество узлов в сети, параметры конкуренции MAC, количество цепочек передачи и алгоритмы адаптации скорости для анализа пропускной способности MAC. Этот пример демонстрирует измерение и анализ пропускной способности MAC путем изменения размера пакета в Application Traffic Generator блок.

Размер пакета приложения

Пропускная способность прямо пропорциональна размеру пакета приложения. Меньший размер пакета приводит к большему количеству передаваемых пакетов. На уровне MAC для каждого передаваемого пакета существует непроизводительное время конкуренции. Это связано с тем, что уровень MAC проверяет, что канал находится в состоянии ожидания в течение определенного периода времени (см. раздел 10.3.2.3 [1]) перед передачей какого-либо пакета. Следовательно, по мере уменьшения размера пакета возрастают служебные данные конкуренции, что приводит к снижению пропускной способности.

Конфигурация модели

Можно настроить размер пакета приложения, выполнив следующие действия:

Выполните моделирование и проверьте пропускную способность. Результаты калибровки TGax для теста-1a в [4] показаны ниже:

Приведенный выше график сравнивает результаты калибровки WLAN Toolbox с опубликованными результатами других компаний, перечисленных в [4]. Синяя кривая представляет результаты WLAN Toolbox, а серые кривые представляют результаты других компаний.

Результаты моделирования

При моделировании модели генерируются:

На этом рисунке показаны переходы состояния MAC относительно времени моделирования.

Можно также наблюдать активное состояние буферов передачи уровня MAC с помощью кнопки «Наблюдать длины очереди MAC» в приведенной выше визуализации.

На этом рисунке показана сетевая статистика в конце моделирования.

Проверка пропускной способности прикладного уровня с результатами калибровки TGax

Группа задач TGax [4] опубликовала результаты производительности приложений для различных сценариев. Вы можете наблюдать Слой 3 (выше слоя MAC) пропускная способность каждого узла в сети в колонке 'Пропускной способности' в 'statisticsTable', сохраненном в 'statistics.mat'. Сценарии калибровки TGax для имитатора MAC опубликовали результаты пропускной способности приложений для протокола пользовательских дейтаграмм (UDP) со служебной информацией уровней управления логическими линиями связи (LLC).

Чтобы рассчитать пропускную способность приложения по результатам моделирования, используйте следующий код:

% Load statistics.mat (Output of the simulation) file
simulationResults = load('statistics', 'statisticsTable');
% Statistics
stats = simulationResults.statisticsTable;

% Successfully transmitted MAC layer bytes in the network
totalMACTxBytes = sum(stats.MACTxBytes);

% UDP & LLC overheads (bytes)
udpOverhead = 36;
llcOverhead = 8;

% UDP & LLC overhead (bytes) in the network
udpAndLLCOverhead = sum(stats.MACTxSuccess)*(udpOverhead + llcOverhead);

% Successfully transmitted application bytes
totalAppTxBytes = totalMACTxBytes - udpAndLLCOverhead;

% Time at which last transmission is completed in the network (Microseconds)
simulationTime = max(stats.MACRecentFrameStatusTimestamp);

% Application throughput (Mbps)
applicationThroughput = (totalAppTxBytes*8)/simulationTime;
disp(['Application Throughput = ' num2str(applicationThroughput) ' Mbps']);

Application Throughput = 4.7276 Mbps

Пропускная способность приложения для различных сценариев калибровки TGax отображается в зависимости от размера блока данных службы MAC (MSDU) в течение времени моделирования 30 секунд, как показано ниже:

Дальнейшие исследования

Опции конфигурации

Для дальнейшего изучения этого примера можно изменить эти параметры конфигурации:

Связанные примеры

Для дальнейшего изучения см. следующие примеры:

В этом примере можно создать и настроить многоузловую сеть 802.11 с использованием модели Simulink для анализа пропускной способности MAC и прикладного уровня. В этой модели пропускная способность MAC, полученная в результате моделирования, используется для вычисления пропускной способности прикладного уровня. Эта модель проверяется с использованием сценариев бокса 3 (тесты 1a, 1b и 2a), указанных в методологии оценки TGax [3], чтобы подтвердить, что она соответствует IEEE 802.11 [1]. В этом примере делается вывод, что вычисленная пропускная способность прикладного уровня находится в диапазоне минимальной и максимальной пропускной способности, указанных в опубликованных результатах калибровки [4].

Приложение

Вспомогательные функции и объекты, используемые в этом примере:

Ссылки