Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

Корниенко В.И., Стасивская Д.В.

ГВУЗ «Национальный горный университет», Днепропетровск

Эффективность синхронизации в беспроводных сетях множественного доступа

Беспроводные технологии вытесняют проводные повсюду, где могут обеспечить приемлемую скорость и качество связи.

В сети IEEE 802.11 устройства передают свои биконы (сигнальные кадры идентификации пользователя) в каждом суперкадре. Бикон каждого устройства занимает отдельный, незанятый бикон-слот. Слот должен быть незанятым как с точки зрения самого передающего устройства, так и с точки зрения соседей этого устройства, т.е. других устройств, которые могут получать кадры передающего устройства. Нарушение этого правила, т.е. передача нескольких биконов в одном слоте, приводит к коллизии. В результате ни один из биконов не может быть корректно принят другими устройствами.

Чтобы устройство А могло получать кадры от устройства В напрямую, устройство В должно находиться в области передачи/приема устройства А. Однако устройства могут находиться достаточно далеко друг от друга, и тогда передача кадра от А к В возможна только через промежуточные устройства. То есть, в общем случае для передачи кадров между устройствами необходима пересылка кадра через промежуточные устройства, а непосредственная передача невозможна, сеть называется сетью со сложной структурой (multi-hop net).

В сети со сложной структурой устройство А может занимать тот же самый бикон-слот, что и устройство В, если В находится за пределами CS-области устройства А и его соседей.

Так как размер сети невелик, рассмотрим лишь случай, когда для любого устройства X все остальные устройства находятся в пределах CS-области либо самого устройства X, либо его соседей. В этом случае любой бикон-слот может содержать только один бикон, как показано на Рис. 4.

При включении устройство сканирует все частотные каналы. Если оно не находит ни одной сети, т.е. не получает ни одного бикона, устройство создает новую сеть, посылая первый бикон. Этот бикон занимает первый слот в бикон-периоде новой сети. Если же в процессе сканирования устройство поймало бикон, оно должно присоединиться к существующей сети. Чтобы избежать коллизий при одновременном или почти одновременном присоединении нескольких устройств, устройство выбирает слот случайно в промежутке от последнего занятого бикон-слота (ПЗБС) до слота MaxBP – последнего слота бикон-периода. Назовем эту схему выбора бикон-слота – Простой Схемой Выбора. Выбор слота после последнего занятого – рациональный подход, поскольку поддерживать полный список незанятых бикон-слотов слишком сложно; выбор слота до последнего занятого может привести к коллизии с устройством, которое меняет бикон-слот, чтобы уменьшить длину бикон-периода.

В предыдущей главе о сетях стандарта IEEE 802.11 уже упоминались правила сокращения бикон-периода, обнаружения и разрешения коллизий. Согласно текущей спецификации для выбора нового бикон-слота при разрешении коллизий используется та же простая схема выбора.

Однако эта схема иногда приводит к серьезным проблемам в случае присоединения к сети нескольких устройств в одном и том же или последовательных суперкадрах. Такое случается, например, из-за интерференции нескольких сетей. В этом случае либо сети объединяются, либо одна из сетей меняет рабочую частоту (канал). Обычно одно из устройств инициирует переключение канала или присоединение к соседней сети. Для этого оно посылает специальное кадр-объявление, получив которое остальные устройства следуют за первым в одном из последующих суперкадров.

Первая проблема – возможное блокирование сети: ситуация, когда устройства не могут присоединиться к сети или разрешить коллизию. Когда какое-нибудь устройство занимает слот с номером MaxBP, т.е. самый старший слот в бикон-периоде, бикон-период считается заполненным. Следовательно, другие устройства не могут присоединиться к сети или выбрать новый слот, разрешая коллизию, пока самый старший слот не будет освобожден.

Другой проблемой является потенциальное зависание сети. Эту проблему можна решить с помощью введения дополнительной задержки между выходом из сети и повторным присоединением. В этом механизм называется Wait-Before-Join (WBJ). Суть его в том, что устройства, которые не могут разрешить коллизии, должны отсоединиться от сети на время W и сканировать весь бикон-период все это время, а лишь потом попытаться присоединиться к сети. Цель введения этой задержки – уменьшить вероятность попадания устройств в коллизию при повторном присоединении к сети и дать устройству в самом старшем бикон-слоте достаточно времени, чтобы сдвинуть свой бикон в младший слот.

Эффективность механизмов синхронизации в беспроводных персональных сетях с распределенным (децентрализованным) управлением на MAC-уровне определяется качеством одновременного, или почти одновременного, присоединения к сети нескольких устройств, что нередко случается при объединении нескольких сетей, смене рабочей частоты и в других случаях. Механизмы, описанные в стандарте IEEE 802.11, дают сбои и приводят к частым конфликтам между устройствами, блокированию сети, а в некоторых случаях могут привести к «зависанию» сети. В данной работе показаны недостатки описанных в стандарте алгоритмов синхронизации и предложены алгоритмы, обеспечивающие бесперебойную работу сети в сложных случаях.