TBS / 332_53_УП_Технологии беспроводных сетей
.pdf1.6.7.Метод случайного доступа (классическая схема Aloha)
Вклассической схеме Aloha при передаче данных не используется какой-либо алгоритм, позволяющий избежать коллизий. Это простейшая коммуникационная схема, в которой любое устройство (передатчик) в сети начинает передачу по мере готовности данных. Если кадр (пакет фиксированной длины) успешно достигает приемника, передается следующий кадр. Иначе передача кадра повторяется. Классическая схема Aloha была разработана в 1971 году в Гавайском университете для беспроводного соединения нескольких станций, расположенных в университетских зданиях на разных островах Гавайского архипелага. Данная схема хорошо работает в сетях с небольшой загрузкой (до 0,2) и подходит для систем спутникового вещания по полудуплексным двунаправленным каналам, но в более сложных случаях подвержена коллизиям.
1.6.8. Метод множественного доступа с детектированием несущей
(Carrier Sense Multiple Access - CSMA)
Метод множественного доступа с детектированием несущей (CSMA) является усовершенствованием классической схемы Aloha. Детектирование несущей частоты состоит в том, что устройство перед началом передачи данных прослушивает канал. Если канал занят другим устройством, то передатчик переходит в ждущий режим до момента освобождения канала.
При использовании метода CSMA не требуется центрального устройства, управляющего доступом, а каждое устройство самостоятельно принимает решение о передаче данных и захватывает свободный канал. Так как фактически доступ к каналу получает то устройство, которое первым начало передачу, данный метод еще называют методом конкурентного доступа.
Применение метода CSMA позволяет значительно увеличить пропускную способность сети.
Существуют несколько версий метода CSMA, такие как ненастойчивая стратегия (nonpersistent strategy), настойчивая стратегия (persistent strategy), настойчивый алгоритмы с вероятностью передачи 1 (1- persistent algorithm), настойчивый алгоритмы с вероятностью передачи p
(p-persistent algorithm).
При ненастойчивой стратегии устройство опрашивает передающую среду через случайные интервалы времени. После каждой неудачной попытки интервал опроса обычно удваивается, что существенно уменьшает вероятность возникновения конфликта, но приводит к увеличению задержки при передаче данных.
41
При настойчивой стратегии осуществляется слежение за состоянием канала связи. Устройство посылает кадр, если канал свободен, и передает запросы, пока не будет получено подтверждение приема. При использовании такой стратегии длительность повторной передачи осуществляется согласно случайному закону (например, экспоненциальному). Если в течение установленного времени подтверждение не получено, то устройство повторяет попытку через случайно выбранный интервал времени.
Настойчивая стратегия может быть реализована как настойчивый алгоритм с вероятностью передачи 1 или как настойчивый алгоритм с вероятностью передачи p.
При настойчивом алгоритме с вероятностью передачи 1 устройство следит за состоянием канала связи. Если канал занят, то устройство переходит в режим ожидания и предпринимает попытку передачи, как только канал освободится. При возникновении конфликта устройство прекращает сеанс связи и вновь начинает по случайному закону. Согласно этому алгоритму, если канал свободен, то сеанс связи начинается с вероятностью p = 1.
Настойчивый алгоритм с вероятностью передачи p отличается от предыдущего только тем, что передача осуществляется при наличии свободного канала через временной интервал, определяемый по случайному закону. В случае конфликта время также определяется по случайному закону (чаще всего по экспоненциальному). Устройство может отложить передачу до следующего временного интервала с вероятностью 1 − p . Таким образом, осуществляется дополнительное разделение доступа к среде передачи. Это позволяет уменьшить вероятность конфликта.
1.6.9. Метод множественного доступа с детектированием несущей и предотвращением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - CSMA/CA)
Метод CSMA/CA отличается от CSMA тем, что пытается избежать конфликтов. Устройство перед посылкой данных проверяет, свободен ли канал связи, и после этого ждет интервал безопасности от конфликта
(interframe gap). Если в этот момент не возникнет передача от другого устройства, то устройство ждет случайное время и захватывает канал. Это предотвращает возможность одновременного занятия, поскольку, если в этот момент два устройства "пробуют" свободность, то случайное время начала передачи позволяет им разнести передачу данных по времени. Далее процесс идет согласно обычному алгоритму. Если приемник получает подтверждение в течение заданного времени, то передача прошла успешно. Если подтверждение не получено, устройство увеличивает свой параметр задержки и время интервала безопасности.
Метод CSMA/CA применяется в беспроводных локальных сетях стандарта IEEE 802.11.
42
1.6.10. Метод множественного доступа с цифровым детектированием
(Digital Sense Multiple Access - DSMA) или с детектированием подавления (Inhibit Sense Multiple Access - ISMA)
Метод DSMA, который также называют методом множественного доступа с детектированием подавления (ISMA), использует схожий с CSMA/CA принцип работы. Различие заключается в том, что занятость канала определяется не путем прослушивания, а посредством посылки центральным устройством пакета, в котором определяется статус канала. Центральное устройство должно быть синхронизировано с передатчиками так, чтобы они не передавали данные во время передачи пакета, содержащего статус канала. Если канал занят, то устройства ждут случайный промежуток времени до последующей передачи. Так как несколько устройств могут одновременно передавать данные, центральное устройство посылает подтверждение о получении пакета данных.
1.6.11. Метод множественного доступа с распределением по запросу
(Demand Assigned Multiple Access - DAMA)
Метод DAMA называется также схемой Aloha с резервированием и применяется в спутниковых системах связи. В течение определенного временного интервала, разбитого на мини-интервалы все устройства пытаются зарезервировать для себя будущие временные интервалы для передачи данных. Так как на стадии резервирования происходят конфликты, то некоторые устройства не резервируют для себя временные интервалы. Если устройству удалось зарезервировать временной интервал, то ни одно другое устройство не сможет в это время осуществить передачу. Центральное устройство собирает все успешные запросы (неуспешные игнорируются) и посылает устройствам список с указанием прав доступа к последующим временным интервалам. Этому списку подчиняются все устройства. Метод DAMA относится к методам с явным резервированием, когда каждый интервал для передачи данных резервируется явно.
1.6.12. Метод множественного доступа с резервированием пакетов
(Packet Reservation Multiple Access - PRMA)
Метод PRMA является примером методов со скрытым резервированием, так как интервалы для передачи резервируются неявно. Центральное устройство в начале каждого цикла рассылает список с распределением временных интервалов. Само же резервирование происходит следующим образом. Пусть некоторому устройству необходимо передать данные, но оно при этом не зарезервировало временной интервал. Это устройство регулярно получает от центрального устройства список с зарезервированными интервалами и случайным
43
образом выбирает один из свободных интервалов, в котором можно попытаться передавать данные. Если передача прошла успешно, то устройство получает об этом подтверждение, а центральное устройство резервирует этот интервал для нового устройства и включает его в список. Если запрос не дошел до центрального устройства, то устройство должно попробовать вновь послать данные в один из свободных интервалов.
44
Раздел 2. Стандарты беспроводных сетей
2.1. Беспроводные персональные сети
Беспроводные персональные сети (Wireless Personal Area Network – WPAN) стали появляться сравнительно недавно – в середине 90-х годов. Однако лишь к концу 90-х годов развитие микроэлектроники позволило производить для таких устройств достаточно дешевую элементную базу. Открывшиеся перспективы привели к тому, что практически одновременно появилось сразу несколько разработок WPAN, основные из которых – это стандарт Home RF, стандарты семейства IEEE 802.15 (Bluetooth, ZigBee и др.).
2.1.1. Стандарт (технология) Home RF
Home RF – это название созданной в марте 1998 года группы производителей компьютерного и бытового оборудования (HRFWG - Home Radio Frequency Working Group). В первый год существования в нее вошло свыше 90 фирм, включая Intel, Compaq, Ericsson, Hewlett-Packard и Microsoft. Она организовывалась для разработки открытого протокола распределенного беспроводного доступа SWAP (Shared Wire-less Access Protocol), который должен был лечь в основу радиосети Home RF. Впоследствии вместо наименования SWAP в названии спецификации стали использовать Home RF. Оборудование Home RF работает в диапазоне частот 2,4 ГГц, для передачи трафика используется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты.
Как следует из названия, стандарт Home RF задумывался как беспроводная домашняя система передачи информации, аналог известной к тому времени проводной Ethernet-подобной сети HomePNA (Home Phone Line Networking Alliance), использовавшей в качестве носителя уже существующую телефонную линию. Для нормальной работы сети Home RF необходим host-компьютер (или устройство, выполняющее его функции).
Специфика сферы применения данной технологии обусловила изначальную ориентацию на подключение к беспроводной сети разнообразных устройств – от персональных компьютеров и периферии до бесшнуровых телефонов и средств бытовой электроники. Технология создавалась для передачи разных типов трафика – данных, голоса и потокового мультимедиа. В качестве метода доступа к среде передачи при транспортировке голоса используется метод временного разделения каналов TDMA (заимствованный из сетей DECT), а при транспортировке трафика данных - метод множественного доступа с обнаружением коллизий CSMA/CA (аналогичный применяемому в сетях Ethernet).
Первая версия спецификации Home RF появилась 17 декабря 1998 года и обеспечивала скорость передачи 2 Мбит/с. Появление в марте 2001
45
г. спецификаций Home RF 2.0 позволило поднять поддерживаемую максимальную скорость передачи до 10 Мбит/с, с возможностью дальнейшего ее увеличения до 20 Мбит/с. Последняя версия спецификации Home RF 2.01 вышла 1 июля 2002 года и на этом цели рабочей группы были выполнены, а в январе 2003 года она была расформирована.
2.1.2. Стандарт (технология) IEEE 802.15.1 (Bluetooth)
Идеология Bluetooth – это универсальный радиоинтерфейс, связывающий друг с другом самые разные устройства и не требующий дорогой аппаратной поддержки. Однако устройства Bluetooth сегодня реально используют в основном для замены провода радиоинтерфейсом (например, в качестве беспроводной гарнитуры для сотовых телефонов), несмотря на широчайший спектр заложенных в нем возможностей. Рынок такого рода приложений пока во много раз превосходит рынок действительно сетевых устройств. Возможно, именно поэтому прекрасно проработанный для решения сетевых задач стандарт Home RF пока не нашел массового применения. С одной стороны его вытесняют простейшие Bluetooth-устройства, с другой — системы стандарта IEEE 802.11, которые за последние пять лет существенно подешевели, лишив тем самым Home RF основного перед ними преимущества – низкой стоимости. Основные характеристики технологий Bluetooth и Home RF приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1 Сравнительные характеристики технологий Bluetooth и Home RF
Своим появлением спецификация Bluetooth обязана компаниям
Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia, которые в феврале 1998 года для разработки стандарта беспроводной персональной сети организовали специальную рабочую группу SIG (Special Interest Group).
46
Уже в 2000 году в Bluetooth SIG входили 1883 фирмы (на порядок больше, чем в группу Home RF). Новую технологию поддержали производители элементной базы, программного обеспечения, портативных компьютеров, сотовых телефонов, звуковоспроизводящей аппаратуры и др. Сегодня стандарт Bluetooth признан всем мировым сообществом. Между Bluetooth SIG и IEEE было достигнуто соглашение, в соответствии
скоторым спецификация Bluetooth вошла в стандарт IEEE 802.15.1 (он опубликован 14 июня 2002 года как «Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks (WPANs)» – Спецификации контроля доступа к беспроводному каналу и физического уровня беспроводных персональных сетей).
Спецификация Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации с временным мультиплексированием. Радиообмен происходит в полосе частот 2400-2483,5 МГц (в США и ряде других стран
– это безлицензионный диапазон). В радиотракте применен метод расширения спектра посредством частотных скачков и двухуровневая частотная модуляция с фильтром Гаусса (binary Gaussian Frequency Shift Keying). Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса частот подразделяется на определенное количество подканалов шириной 1МГц каждый.
Канал представляет собой псевдослучайную последовательность скачков по 79 или 23 радиочастотным подканалам (табл. 2.2). Каждый канал делится на временные сегменты продолжительностью 625 мкс, причем каждому сегменту соответствует определенная несущая (подканал). Передатчик «перескакивает» с несущей на несущую синхронно
сприемником в последовательности, определяемой номером канала. За секунду может происходить до 1600 частотных скачков. Такой метод обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач. Последняя обусловлена тем, что если переданный по какому-либо подканалу пакет не был принят, то приемник сообщает об этом, и передача пакета повторяется на одном из следующих подканалов, уже на другой частоте.
Таблица 2.2 Разделение полосы частот на подканалы в стандарте Bluetooth
47
Протокол Bluetooth поддерживает соединения типа точка-точка и точка – много точек. Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet). Одно из устройств работает как основное (master), а остальные – как подчиненные (slaves). В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии «парковки», оставаясь синхронизированными с основным устройством. Взаимодействующие пикосети образуют «распределенную сеть»
(scatternet).
В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Варианты построения пикосетей
Пикосети не синхронизированы друг с другом по времени и частоте
– каждая из них использует свою последовательность частотных скачков. В одной же пикосети все устройства синхронизированы по времени и частотам. Псевдослучайная последовательность скачков уникальна для каждой пикосети и определяется адресом ее основного устройства. Длина цикла псевдослучайной последовательности – 227 элементов. В стандарте Bluetooth предусмотрена дуплексная передача на основе разделения времени (time division duplexing – TDD). Основное устройство передает
48
пакеты в нечетные временные сегменты, а подчиненное устройство – в четные. Пакеты в зависимости от длины могут занимать до пяти временных сегментов. При этом частота канала не меняется до окончания передачи пакета. Протокол Bluetooth может поддерживать асинхронный канал данных, до трех синхронных (с постоянной скоростью) голосовых каналов или канал с одновременной асинхронной передачей данных и синхронной передачей голоса. Скорость каждого голосового канала – 64 кбит/с в каждом направлении, асинхронного в асимметричном режиме – до 723,2 кбит/с в прямом и 57,6 кбит/с в обратном направлениях или до 433,9 кбит/с в каждом направлении в симметричном режиме.
Синхронное соединение (SCO) возможно только в режиме точкаточка. Такой вид связи применяется для передачи информации, чувствительной к задержкам, например голоса. Основное устройство поддерживает до трех синхронных соединений, вспомогательное – до трех синхронных соединений с одним основным устройством или до двух – с разными основными устройствами. При синхронном соединении основное устройство резервирует временные сегменты, следующие через так называемые SCO-интервалы. Даже если пакет принят с ошибкой, повторно при синхронном соединении он не передается.
При асинхронной связи (ACL) используются временные сегменты, не зарезервированные для синхронного соединения. Асинхронное соединение возможно между основным и всеми активными подчиненными устройствами в пикосети. Основное и подчиненное устройства могут поддерживать только одно асинхронное соединение. Поскольку в пикосети может быть несколько подчиненных устройств, конкретное подчиненное устройство отправляет пакет основному, только если в предыдущем временном интервале на его адрес пришел пакет от основного устройства. Если в адресном поле ACL-пакета адрес не указан, пакет считается «широковещательным» – его могут читать все устройства. Асинхронное соединение позволяет повторно передавать пакеты, принятые с ошибками
(механизм ARQ — automatic repeat request).
Несмотря на всю свою привлекательность и универсальность, стандарт Bluetooth как действительно сетевой стандарт используется сегодня относительно редко. Возможно, причина кроется в том, что все же это еще очень новая технология, а также в том, что Bluetooth слишком универсален. В одних приложениях ему недостает скорости обмена (например, при передаче видеосигнала), в других — требуются более простые и дешевые устройства. Чтобы разрешить эти противоречия и окончательно стандартизовать принципы организации персональных БС, рабочая группа IEEE 802.15, не удовольствовавшись стандартом IEEE 802.15.1, создала еще две исследовательские группы (Tg3 и Tg4). В результате в конце сентября 2003 года были опубликованы два новых стандарта – IEEE 802.15.3 «Wireless Medium Access Control (M AC) and Physical Layer (PHY) Specifications for High Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs)» и IEEE 802.15.4 «Wireless Medium Access Control
49
(MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)» – стандарты для высокоскоростной и низкоскоростной персональных БС, соответственно.
2.1.3. Стандарт (технология) IEEE 802.15.3
Стандарт IEEE 802.15.3 описывает работу малой БС – пикосети (piconet). Пикосеть в стандарте IEEE 802.15.3 – это так называемая ad hoc – система, в которой несколько независимых устройств могут непосредственно взаимодействовать друг с другом. Размеры пикосети, как правило, не превышают 10 м. Основные требования к ней – высокая скорость передачи данных, простая инфраструктура, легкость установления соединения и вхождения в сеть, средства защиты данных и предоставление для определенных типов данных гарантированных параметров передачи (гарантия качества обслуживания, QoS).
Пикосеть (рис. 2.2) может объединять несколько устройств, одно из которых выполняет функции управления (piconet coordinator – PNC). Стандарт также предусматривает возможность формирования так называемых дочерних пикосетей и описывает взаимодействие между независимыми соседними пикосетями.
Рис. 2.2. Структура сети IEEE 802.15.3
В пикосети возможен обмен как асинхронными, так и изохронными (потоковыми) данными. К последним относятся, например, звук и видео. Весь информационный обмен в пикосети основан на последовательности суперкадров. Каждый суперкадр (рис. 2.3) включает управляющий сегмент
(beacon), интервал конкурентного доступа (contention access period – CAP)
и набор временных интервалов (каналов), назначенных определенным устройствам. PCN определяет границы всех интервалов и распределяет каналы между устройствами.
50