ИЭЭЭ 802.11е-2005

IEEE 802.11e-2005 или 802.11e — это одобренная поправка к стандарту IEEE 802.11 , которая определяет набор улучшений качества обслуживания (QoS) для приложений беспроводной локальной сети за счет модификаций уровня управления доступом к среде передачи (MAC). ^[1] Этот стандарт считается критически важным для приложений, чувствительных к задержкам, таких как передача голоса по беспроводной локальной сети и потоковая передача мультимедиа . Поправка была включена в опубликованный стандарт IEEE 802.11-2007 .

Оригинальный MAC-адрес 802.11

Функция распределенной координации (DCF)

Базовый уровень MAC 802.11 использует функцию распределенной координации (DCF) для совместного использования среды между несколькими станциями. (DCF) использует CSMA/CA и дополнительный 802.11 RTS/CTS для разделения среды между станциями. Это имеет несколько ограничений:

если многие станции попытаются установить связь одновременно, произойдет множество коллизий, которые снизят доступную полосу пропускания и, возможно, приведут к перегрузке сети .
нет никаких гарантий качества обслуживания (QoS). В частности, не существует понятия трафика с высоким или низким приоритетом.

Функция координации точек (PCF)

Исходный MAC-адрес 802.11 определяет еще одну функцию координации, называемую функцией координации точки (PCF). Это доступно только в режиме «инфраструктура», когда станции подключаются к сети через точку доступа (AP). Этот режим является необязательным, и его реализуют лишь очень немногие точки доступа или адаптеры Wi-Fi. ^{[ нужна ссылка ]} Точки доступа отправляют кадры маяка через регулярные промежутки времени (обычно каждые 100 TU или 0,1024 секунды). Между этими кадрами маяка PCF определяет два периода: период отсутствия конфликтов (CFP) и период конфликтов (CP). В CP используется DCF. В CFP точка доступа отправляет пакеты Contention-Free-Poll (CF-Poll) каждой станции по одному, чтобы дать им право отправлять пакет. AP является координатором. Хотя это позволяет лучше управлять QoS, PCF не определяет классы трафика, как это принято в других системах QoS (например, 802.1p и DiffServ ).

Работа протокола MAC 802.11e

Схема семиуровневой модели OSI с изменениями, внесенными стандартом 802.11 и поправкой 802.11e. ^[2]

802.11e расширяет возможности DCF и PCF за счет новой функции координации: функции гибридной координации (HCF). В HCF существует два метода доступа к каналу, аналогичные тем, которые определены в устаревшем MAC 802.11: управляемый доступ к каналу HCF (HCCA) и расширенный распределенный доступ к каналу (EDCA). И EDCA, и HCCA определяют категории трафика (TC). Например, электронная почта может быть отнесена к классу с низким приоритетом, а передача голоса по беспроводной локальной сети (VoWLAN) — к классу с высоким приоритетом.

Расширенный доступ к распределенным каналам (EDCA)

EDCA — это поддерживаемый механизм QoS в 802.11e. При использовании EDCA высокоприоритетный трафик имеет более высокую вероятность отправки, чем трафик с низким приоритетом: станция с высокоприоритетным трафиком в среднем ждет немного меньше времени, прежде чем отправить свой пакет, чем станция с низкоприоритетным трафиком. Это достигается с помощью протокола TCMA, который представляет собой вариант CSMA/CA, использующий более короткое межкадровое пространство арбитража (AIFS) для пакетов с более высоким приоритетом. ^[3] Точные значения зависят от физического уровня, который используется для передачи данных. Кроме того, EDCA обеспечивает бесконкурентный доступ к каналу в течение периода, называемого возможностью передачи (TXOP). TXOP — это ограниченный интервал времени, в течение которого станция может отправить как можно больше кадров (при условии, что продолжительность передач не выходит за пределы максимальной продолжительности TXOP). Если кадр слишком велик для передачи за один TXOP, его следует фрагментировать на более мелкие кадры. Использование TXOP уменьшает проблему низкоскоростных станций, получающих чрезмерное количество канального времени в устаревшем 802.11 DCF MAC. Временной интервал TXOP, равный 0, означает, что он ограничен одним блоком служебных данных MAC (MSDU) или блоком данных протокола управления MAC (MMPDU).

Уровни приоритета в EDCA называются категориями доступа (AC). Окно конкуренции (CW) может быть установлено в соответствии с ожидаемым трафиком в каждой категории доступа, при этом более широкое окно необходимо для категорий с более тяжелым трафиком. Значения CWmin и CWmax рассчитываются на основе значений aCWmin и aCWmax соответственно, которые определены для каждого физического уровня, поддерживаемого 802.11e.

Расчет границ конфликтного окна
переменного тока	CWmin	CWмакс
Фон (AC_BK)	aCWmin	аCWмакс
Лучшее из возможного (AC_BE)	aCWmin	аCWмакс
Видео (AC_VI)	(aCWmin+1)/2-1	aCWmin
Голос (AC_VO)	(aCWmin+1)/4-1	(aCWmin+1)/2-1

Для типичных значений aCWmin=15 и aCWmax=1023, используемых, например, в OFDM (802.11a) и MIMO (802.11n), результирующие значения следующие:

Параметры EDCA по умолчанию для каждого AC
переменного тока	CWmin	CWмакс	АИФСН	Макс. ТХОП
Фон (AC_BK)	15	1023	7	0
Лучшее из возможного (AC_BE)	15	1023	3	0
Видео (AC_VI)	7	15	2	3,008 мс
Голос (AC_VO)	3	7	2	1,504 мс
Устаревший DCF	15	1023	2	0

уровня Ethernet AC сопоставляются непосредственно с уровнями приоритета класса обслуживания (CoS) :

–	802.1p			802.11е
Приоритет	Кодовая точка приоритета (PCP)	Аббревиатура	Тип трафика	Категория доступа (AC)	Обозначение
Самый низкий	1	БК	Фон	AC_BK	Фон
	2	–	Запасной	AC_BK	Фон
	0	БЫТЬ	Лучшее усилие	AC_BE	Лучшее усилие
	3	ЭЭ	Отличное усилие	AC_BE	Лучшее усилие
	4	КЛ	Контролируемая нагрузка	AC_VI	Видео
	5	МЫ	Видео	AC_VI	Видео
	6	VO	Голос	AC_VO	Голос
Самый высокий	7	Северная Каролина	Сетевой контроль	AC_VO	Голос

Основная цель QoS — защитить данные с высоким приоритетом от данных с низким приоритетом. Существуют также сценарии, в которых данные необходимо защитить от других данных того же класса. Контроль допуска в EDCA решает проблемы такого типа. Точка доступа публикует доступную пропускную способность в маяках. Клиенты могут проверить доступную пропускную способность, прежде чем добавлять дополнительный трафик.

Wi-Fi Multimedia (WMM) — это спецификация Wi-Fi Alliance, которая является подмножеством IEEE 802.11e. Сертифицированные точки доступа должны быть включены для EDCA и TXOP. Все остальные улучшения 802.11e являются необязательными.

Доступ к каналу, контролируемый HCF (HCCA)

Контролируемый доступ к каналу HCF (функция гибридной координации) (HCCA) во многом похож на PCF. Однако в отличие от PCF, в котором интервал между двумя кадрами маяка разделен на два периода CFP и CP, HCCA позволяет инициировать CFP практически в любой момент во время CP. Этот вид CFP называется фазой контролируемого доступа (CAP) в 802.11e. CAP инициируется точкой доступа всякий раз, когда она хочет отправить кадр на станцию или получить кадр от станции бесконкурентным способом. Фактически, CFP также является CAP. Во время CAP гибридный координатор (HC), который также является точкой доступа, контролирует доступ к среде. Во время КП все станции функционируют в EDCA. Другое отличие от PCF заключается в том, что определяются класс трафика (TC) и потоки трафика (TS). Это означает, что HC не ограничивается организацией очереди на каждую станцию и может предоставлять своего рода услугу для каждого сеанса. Кроме того, HC может координировать эти потоки или сеансы любым способом по своему выбору (не только по кругу). Кроме того, станции предоставляют информацию о длине своих очередей для каждого класса трафика (TC). HC может использовать эту информацию, чтобы отдать приоритет одной станции над другой или лучше настроить свой механизм планирования. Другое отличие состоит в том, что станциям предоставляется TXOP: они могут отправлять несколько пакетов подряд в течение заданного периода времени, выбранного HC. Во время CFP HC позволяет станциям отправлять данные путем отправки кадров CF-Poll.

HCCA обычно считается наиболее продвинутой (и сложной) координационной функцией. С помощью HCCA качество обслуживания можно настроить с большой точностью. Станции с поддержкой QoS имеют возможность запрашивать определенные параметры передачи (скорость передачи данных, джиттер и т. д.), что должно позволить продвинутым приложениям, таким как VoIP и потоковое видео, более эффективно работать в сети Wi-Fi.

Поддержка HCCA не является обязательной для точек доступа 802.11e. Фактически, немногие (если таковые имеются) доступные в настоящее время точки доступа поддерживают HCCA. ^{[ нужна ссылка ]} Реализация HCCA на конечных станциях использует существующий механизм DCF для доступа к каналу (никаких изменений в работе DCF или EDCA не требуется). Станции должны иметь возможность отвечать только на сообщения опроса. На стороне точки доступа необходим планировщик и механизм организации очередей.

Другие характеристики 802.11e

Помимо HCCA, EDCA и TXOP, 802.11e определяет дополнительные дополнительные протоколы для улучшенного QoS уровня MAC 802.11:

Автоматическое энергосбережение

В дополнение к механизму опроса энергосбережения, который был доступен до 802.11e, в 802.11e были введены новые механизмы энергосбережения и уведомления. APSD (автоматическая доставка в режиме энергосбережения) обеспечивает два способа начала доставки: «запланированный APSD» (S-APSD) и «незапланированный APSD» (U-APSD). При использовании APSD несколько кадров могут передаваться вместе точкой доступа на энергосберегающее устройство в течение периода обслуживания. После окончания периода обслуживания устройство переходит в режим ожидания до следующего периода обслуживания. При использовании S-APSD периоды обслуживания начинаются по заранее определенному расписанию, известному устройству энергосбережения, что позволяет точке доступа передавать свой буферизованный трафик без необходимости какой-либо сигнализации. При использовании U-APSD всякий раз, когда кадр отправляется в точку доступа, запускается период обслуживания, который позволяет точке доступа отправлять буферизованные кадры в другом направлении. U-APSD может принимать «полную» U-APSD или «гибридную» форму U-APSD. При использовании Full U-APSD все типы кадров используют U-APSD независимо от их приоритета. При гибридном U-APSD в зависимости от категории доступа используется либо U-APSD, либо устаревший механизм опроса энергосбережения. S-APSD доступен для обоих механизмов доступа к каналу, EDCA и HCCA, тогда как U-APSD доступен только для EDCA. ^[1]^[4]

APSD — это более эффективный метод управления питанием, чем устаревший опрос энергосбережения 802.11, который приводит к снижению энергопотребления, поскольку снижает как сигнальный трафик, который в противном случае был бы необходим для доставки буферизованных кадров на энергосберегающие устройства через точку доступа, так и частоту конфликтов. среди опросов энергосбережения, обычно передаваемых сразу после TIM маяка. S-APSD более эффективен, чем U-APSD, поскольку запланированные периоды обслуживания уменьшают конфликты и поскольку передача между точкой доступа и энергосберегающим устройством начинается без необходимости какой-либо сигнализации. Энергосберегающее устройство, использующее U-APSD, должно генерировать сигнальные кадры для извлечения буферизованного трафика при отсутствии трафика восходящей линии связи, как, например, в случае приложений аудио, видео или трафика с максимальной эффективностью, которые можно найти в современных смартфонах. U-APSD привлекателен для VoIP-телефонов , поскольку скорости передачи данных примерно одинаковы в обоих направлениях, что не требует дополнительной сигнализации — голосовой кадр восходящей линии связи может инициировать период обслуживания для передачи голосового кадра нисходящей линии связи. ^[5] Гибридный U-APSD менее эффективен, чем полный U-APSD, поскольку механизм опроса энергосбережения, который он использует для некоторых категорий доступа, менее эффективен, чем APSD, как описано выше. Относительные преимущества различных механизмов энергосбережения были независимо подтверждены моделированием. ^[6]^[7]

Блокировать подтверждения

Подтверждения блоков позволяют подтвердить весь TXOP в одном кадре. Это обеспечит меньшие издержки протокола, если указаны более длинные TXOP.

NoAck

В режиме QoS класс обслуживания для отправляемых кадров может иметь два значения: QosAck и QosNoAck. Кадры с QosNoAck не подтверждаются. Это позволяет избежать повторной передачи данных, критичных ко времени.

Настройка прямой связи

Настройка прямого канала позволяет осуществлять прямую передачу кадров между станциями в рамках базового набора услуг . Он предназначен в первую очередь для потребительского использования, где чаще используется передача между станциями. Например, при потоковой передаче видео на телевизор в гостиной или печати на беспроводном принтере в той же комнате может оказаться более эффективным отправлять кадры Wi-Fi непосредственно между двумя взаимодействующими устройствами вместо использования стандартной техники всегда отправляет все через точку доступа, что предполагает два радиоперехода вместо одного. Кроме того, если точка доступа находится далеко в какой-то отдаленной части дома, отправка всех кадров на точку доступа и обратно может потребовать их отправки с более низкой скоростью передачи. Однако DLS требует участия точки доступа для обеспечения более эффективной прямой связи, и лишь немногие точки доступа имеют для этого необходимую поддержку. Настройка Tunnelled Direct Link была опубликована как 802.11z ( TDLS ), что позволяет устройствам выполнять более эффективную прямую передачу кадров между станциями без поддержки со стороны точки доступа. И DLS, и TDLS требуют, чтобы станции были связаны с одной и той же точкой доступа. И DLS, и TDLS повышают скорость и эффективность связи между участниками сети. базовый набор услуг , но они не облегчают связь между устройствами, находящимися рядом друг с другом, но не связанными с одной и той же точкой доступа.

Связь между устройствами, не связанными с одной и той же точкой доступа, может осуществляться с помощью таких технологий, как Wi-Fi Direct , но до сих пор Wi-Fi Direct не получил широкого распространения.

Инициатива Microsoft Virtual Wi-Fi была разработана для достижения той же цели, что и DLS. Виртуальный Wi-Fi позволяет геймерам подключаться к беспроводной сети при доступе к Интернету через точку доступа, позволяя адаптерам станций иметь несколько MAC-адресов. ^[8]

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б М. Бенвенисте, «QoS WLAN», глава 3 книги « Новые технологии в беспроводных локальных сетях: теория, проектирование и развертывание» , (ред. Б. Бинга), Cambridge University Press, 2008 г., ISBN 978-0-521-89584-2 .
^ «802.11n: технология беспроводной локальной сети нового поколения» (PDF) . Корпорация Броадком . 21 апреля 2006 г.
^ М. Бенвенисте, «Многоуровневый конфликтный множественный доступ» (TCMA), распределенный MAC-протокол на основе QoS», Proceedings PIMRC 2002, Лиссабон, Португалия, сентябрь 2002 г.
^ Перес-Коста, X.; Кампс-Мур, Д.; Сашихара, Т. (2005). «Анализ интеграции возможностей IEEE 802.11E в мобильных устройствах с ограниченным зарядом батареи» . Беспроводная связь IEEE . 12 (6): 26–32. дои : 10.1109/MWC.2005.1561942 .
^ М. Бенвенисте, «Руководство по управлению питанием», Doc IEEE 802.11-04/073 , январь 2004 г.
^ Перес-Коста, X.; Кэмпс-Мур, Д. (август 2010 г.). «Функция IEEE 802.11e QoS и энергосбережения: обзор и анализ комбинированной производительности» . Журнал IEEE Wireless Communications (WirComMag) . Том. 17, нет. 4.
^ Перес-Коста, Ксавье; Кэмпс-Мюр, Дэниел; Видаль, Альберт (2007). «О механизмах распределенного энергосбережения беспроводных локальных сетей 802.11e U-APSD и режим энергосбережения 802.11». Компьютерные сети . 51 (9): 2326–2344. дои : 10.1016/j.comnet.2007.01.026 .
^ «В Windows 7 добавлена собственная технология Virtual WiFi от Microsoft Research» . 16 мая 2009 года . Проверено 7 июля 2010 г.

Внешние ссылки

[benven1-1] Jump up to: ^а ^б М. Бенвенисте, «QoS WLAN», глава 3 книги « Новые технологии в беспроводных локальных сетях: теория, проектирование и развертывание» , (ред. Б. Бинга), Cambridge University Press, 2008 г., ISBN 978-0-521-89584-2 .

[2] «802.11n: технология беспроводной локальной сети нового поколения» (PDF) . Корпорация Броадком . 21 апреля 2006 г.

[3] М. Бенвенисте, «Многоуровневый конфликтный множественный доступ» (TCMA), распределенный MAC-протокол на основе QoS», Proceedings PIMRC 2002, Лиссабон, Португалия, сентябрь 2002 г.

[4] Перес-Коста, X.; Кампс-Мур, Д.; Сашихара, Т. (2005). «Анализ интеграции возможностей IEEE 802.11E в мобильных устройствах с ограниченным зарядом батареи» . Беспроводная связь IEEE . 12 (6): 26–32. дои : 10.1109/MWC.2005.1561942 .

[benven2-5] М. Бенвенисте, «Руководство по управлению питанием», Doc IEEE 802.11-04/073 , январь 2004 г.

[perez2-6] Перес-Коста, X.; Кэмпс-Мур, Д. (август 2010 г.). «Функция IEEE 802.11e QoS и энергосбережения: обзор и анализ комбинированной производительности» . Журнал IEEE Wireless Communications (WirComMag) . Том. 17, нет. 4.

[7] Перес-Коста, Ксавье; Кэмпс-Мюр, Дэниел; Видаль, Альберт (2007). «О механизмах распределенного энергосбережения беспроводных локальных сетей 802.11e U-APSD и режим энергосбережения 802.11». Компьютерные сети . 51 (9): 2326–2344. дои : 10.1016/j.comnet.2007.01.026 .

[8] «В Windows 7 добавлена собственная технология Virtual WiFi от Microsoft Research» . 16 мая 2009 года . Проверено 7 июля 2010 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]