Назад в библиотеку

Множественный доступ в сетях IEEE 802.11ad:открытые задачи и подходы к их решению

Автор: Артем Красилов, Антон Кирьянов, Евгений Хоров

Аннотация

Одним из перспективных подходов к увеличению скорости передачи данных в беспроводных сетях следующих поколений, является использование диапазонов частот более 60 ГГц. Опубликованный в 2012 г. стандарт IEEE 802.11ad, определяющий принципы работы сетей Wi-Fi в диапазоне частот 60 ГГц, вводит новый метод доступа к беспроводному каналу.

Введение

Одним из ключевых факторов, определяющим развитие беспроводных сетей, является все увеличивающаяся потребность пользователей в скорости передачи данных. Такая потребность вызвана как экспоненциальным ростом числа самих пользователей, так и увеличивающимся объемом данных, генерируемых современными приложениями [1]. Предполагается, что скорости передачи данных в сетях пятого поколения (5G), появление которых ожидается к 2020 году, должны достигать десятков, сотен гигабит в секунду. Увеличение скорости передачи данных в двух доминирующих на сегодняшний день технологиях Wi-Fi и LTE достигалось с использованием следующих подходов, применяемых на физическом уровне. Во-первых, за счет введения новых сигнально-кодовых конструкций (СКК) повышалась спектральная эффективность использования частотно-временных ресурсов беспроводного канала. Во-вторых, увеличилась ширина используемых частотных каналов. В-третьих, были разработаны методы пространственного кодирования сигнала (Multiple Input Multiple Output, MIMO), которые за счет использования нескольких антенн на передающем и принимающем устройствах, позволяют увеличить число пространственных каналов, а, следовательно, и скорость передачи данных. Отметим, что дальнейшее применение данных подходов не позволит существенным образом увеличить пропускную способность сетей, работающих в традиционных диапазонах частот менее 6 ГГц (напомним, что современные сети Wi-Fi работают преимущественно в нелицензируемых диапазонах частот 2,4 и 5 ГГц, а сети LTE в лицензируемых диапазонах частот от 800 МГц до 2.7 ГГц). Связано это со следующими причинами. Во-первых, существующие СКК обеспечивают спектральную эффективность близкую к границе Шенона. Во-вторых, частотные ресурсы в диапазоне частот менее 6 ГГц ограничены, что позволяет использовать каналы шириной не более нескольких сотен МГц. В-третьих, использование более 8 пространственных каналов становиться едва возможным ввиду ограничения на размеры устройства (расстояние между антеннами должно быть порядка длины волны).

Одним из перспективных подходов к увеличению скорости передачи данных в беспроводных сетях следующих поколений является использование диапазона частот 60 ГГц, в котором доступны каналы шириной в несколько ГГц. Так, в 2012 г. был опубликован новый стандарт IEEE 802.11ad [2], описывающий модификацию технологии Wi-Fi для работы в диапазоне частот 60 ГГц. Даже при отсутствии методов MIMO и использовании только одного частотного канала шириной 2,2 ГГц, IEEE 802.11ad обеспечивает скорость передачи данных около 7 Гбит/c на расстоянии до десяти метров. Такие показатели позволяют применять IEEE 802.11ad для построения высокоскоростных персональных сетей. В настоящее время в комитете по стандартизации локальных и городских сетей IEEE 802 LMSC создана рабочая группа IEEE 802.11ay [3], задачей которой является увеличение скорости передачи до 20-40 Гбит/c и зоны покрытия сети до 500 м. Для достижения этой цели планируется использовать описанные выше методы MIMO, методы агрегации каналов, а также новые СКК, обладающие большей спектральной эффективностью, чем в IEEE 802.11ad [4].

Переход из диапазона частот 5 ГГц в диапазон 60 ГГц приводит к необ-ходимости изменения принципов работы как физического, так и канального уровней. В частности, увеличение частоты сигнала более чем в 10 раз, ведет к увеличению ослабления силы сигнала более чем на 20 дБ. Кроме того, миллиметровые волны имеют существенно более высокий коэффициент по-глощения по сравнению с сантиметровыми волнами. В связи с этим, для обеспечения приемлемой зоны покрытия сети и высокой скорости передачи данных, в стандарте IEEE 802.11ad используются направленные передачи. Использование миллиметровых длин волн позволяет создавать антенные решетки, имеющие сравнительно малые размеры, с помощью которых можно формировать достаточно узкий пучок радиоволн. Например, антенная решетка размером 2x8 занимает площадь менее 1 см и

Множественный доступ

Множественный доступ в сетях IEEE 802.11ad основан на методе множе-ственного доступа с временным разделением TDMA. Временная шкала делиться на интервалы одинаковой длительности, называемые бикон-интер- валами. В свою очередь каждый позволяет формировать пучок радиоволн шириной порядка 10° [5].

Так как в сетях IEEE 802.11ad передачи являются направленными, раз-работчиками стандарта был изменен метод множественного доступа к каналу. Базовым методом доступа в сетях Wi-Fi является метод случайного мно-жественного доступа с прослушиванием несущей и предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance, CSMA/CA). Метод CSMA/CA разрабатывался в предположении, что все устройства используют всенаправленные антенны и слышат передачу друг друга. В случае же направленных передач большинство устройств сети не слышат передачу другого устройства, что приводит к высокой вероятности коллизий, а, следовательно, к низкой вероятности успешной доставки данных. По этой причине, в стандарте IEEE 802.11ad метод CSMA/CA был заменен на новый метод множественного доступа с временным разделением (Time Division Multiple Access, TDMA). Доступ устройств к беспроводному каналу осуществляется в заранее выделенных временных интервалах, согласованных с центральным устройством, называемым координатором сети. Отметим, что стандарт описывает лишь базовые правила, по которым устройства могут согласовать передачу данных с координатором. Однако не описывает алгоритмы управления радиоресурсами, т.е. правила, по которым определяется в какой момент времени и какой объем канальных ресурсов необходимо выделить каждому устройству в зависимости от обслуживаемого этим устройством трафика и условий в беспроводном канале. Эти алгоритмы в конченом итоге оказывают прямое влияние на производительность сети. Целью данной работы является анализ открытых задач, возникающих при использовании нового метода доступа для обслуживания различных типов трафика, в том числе, трафика реального времени, предъявляющего жесткие требования к качеству обслуживания, а также поиск возможных решений этих задач.

Список использованной литературы

  1. Cisco visual networking index: Global mobile data traffic forecast update, 2013–2018. – 2014. – February.
  2. 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 3: Enhancements for Very High Throughput in the 60 GHz Band, 2012.
  3. C. Cordeiro et al. 802.11 NG60 SG Proposed PAR, IEEE 802.11–14/1151r3.
  4. Official website of IEEE 802.11 Next Generation 60GHz (NG60) Study Group.
  5. C. Cordeiro et al. Next Generation 802.11ad:30+ Gbps WLAN, IEEE 802.11– 14/0606r0.
  6. Красилов А.Н., Ляхов А.И. Использование MCCA для предоставления QoS в сетях IEEE 802.11s / Тр. конф. «Информационные технологии и системы». – 2011. – С. 282–293.
  7. G.R. Hiertz, S. Max, T. Junge, D. Denteneert, L. Berlemann. IEEE 802.11s – Mesh Deterministic Access / Proceedings of Wireless Conference. – 2008. – P. 1–8. 1021
  8. R. Zhang, R. Ruby, J. Pan, L. Cai, X. Shen. A Hybrid Reservation/ContentionBased MAC for Video Streaming over Wireless Networks / IEEE Journal on Selected Areas in Communications. – 2010. – Vol. 28, no. 3. – P. 388–398.
  9. E. Shvets, A. Lyakhov, A. Safonov, E. Khorov. Analytical model of IEEE 802.11s MCCA-based streaming in the presence of noise / SIGMETRICS Perform. Eval. Rev. – 2011. – Vol. 39, no. 2. – P. 38–40.
  10. E. Shvets, A. Lyakhov. Mathematical Model of MCCA-based Streaming Process in Mesh Networks in the Presence of Noise / Proceedings of Wireless Communications and Networking Conference (WCNC). – 2012. – P. 1887–1892.
  11. A. Ivanov, E. Khorov, A. Lyakhov. Qos support for bursty traffic in noisy channel via periodic reservations / IFIP Wireless Days (WD) / IEEE. – 2014. – P. 1–6.
  12. A. Ivanov, A. Lyakhov, E. Khorov. Analytical model of batch flow multihop transmission in wireless networks with channel reservations / Automation and Remote Control. – 2015. – Vol. 76, no. 7. – P. 1179–1192.
  13. E. Khorov, A. Ivanov, A. Lyakhov, V. Zankin. Modelling deterministic channel access in millimetre wave Wi–Fi / Twelfth International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS). – Brussels, Belgium, 2015.
  14. E. Khorov. Choosing channel reservation periodicity in self–organizing wireless networks / Journal of Communications Technology and Electronics. – 2015. – Vol. 60, no. 12.
  15. Вишневский В.М., Семенова О.В. Системы поллинга: теория и применение в широкополосных беспроводных сетях. – Москва : Техносфера, 2007.
  16. Q. Chen, X. Peng, J. Yang, F. Chin. Spatial reuse strategy in mmWave WPANs with directional antennas / IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM) / IEEE. – 2012. – P. 5392–5397.