BC/NW 2013: № 2 (7.3)

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БЕСПРОВОДНОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Л.И. Абросимов, М.А. Руденкова

Национальный исследовательский институт «МЭИ»

 

1. Введение

Стремительный рост беспроводных сетей передачи информации (БСПИ) определяется: оперативностью их развертывания, мобильностью, ценой и широте возможных приложений [1].

При создании БСПИ разработчику необходимо согласовать интенсивность трафика пользователей с производительностью каждого канала БСПИ. Трудности, возникающие при оценке производительности БСПИ, определяются:

·      широким спектром технологий, используемых при реализации БСПИ;

·      большим количеством параметров, определяющих производительность каналов БСПИ;

·      наличием регулируемых и нерегулируемых параметров, определяющих производительность каналов БСПИ;

·      отсутствием нормативных зависимостей производительности каналов БСПИ от регулируемых параметров.

Настоящая работа базируется на параметрах и их количественных оценках, полученных для технологий Wi-Fi (Wireless Fidelity).

Целью работы является повышение качества проектных решений, использующих технологии Wi-Fi, за счет выбора количественных значений регулируемых параметров каналов, обеспечивающих их оптимальную производительность.

2. Методика многопараметрической оптимизации

 производительности канала WI-FI

2.1. Формулировка задачи

Рассматривается одноранговый децентрализованный канал (peer to peer) Wi-Fi, который характеризуется набором параметров  ( ), для каждого из которых известен  диапазон  изменения значений  параметра  . При этом, параметр  соответствует параметру производительности канала, а остальные параметры {} () соответствуют набору регулируемых параметров. Для рассматриваемого канала известен также экспериментально определенный набор зависимостей  ( значений производительности   от значений  варьируемого параметра при условии,  что остальные регулируемые параметры зафиксированы.

Требуется определить набор значений {} регулируемых параметров {}, при которых достигается максимальное значение    производительности  .

2.2 Этапы методики

Методика решения сформулированной задачи содержит 6 этапов.

1.     Определение состава параметров, влияющих на производительность канала Wi-Fi .

2.     Выявление состава регулируемых параметров {}.

3.     Разработка мобильного стенда канала Wi-Fi, позволяющего экспериментально задавать значения  требуемых регулируемых параметров  и определять значения параметра производительности.

4.     Определение на шаге s=0 ( ) набора базовых значений {} регулируемых параметров {}, соответствующих рекомендованным настройкам канала Wi-Fi по умолчанию. Значения {} рассматриваются в методике как координаты точки  многомерного пространства.

5.     Используя мобильный стенд, установленный в регионе, для которого разрабатывается БСПИ, экспериментально определяется значение параметра производительности в точке . Используя мобильный стенд,  на шаге s>0 экспериментально определяется зависимость  ( значений производительности   от значений  варьируемого параметра  при условии,  что остальные регулируемые параметры зафиксированы и соответствуют координатам точки А предыдущего шага. Анализ зависимости позволяет определить значение   параметра  , максимизирующее значение производительности на  шаге s. Изменяя j-ю координату получаем координаты точки  

6.     Последовательно выполняя экспериментальные измерения характеристик и процедуры анализа получаем на (s-1)-м шаге координаты точки  , соответствующие набору значений {} параметров канала Wi-Fi,  которые обеспечивают максимальную производительность  .

 

3.Реализация многопараметрической оптимизации

производительности канала WI-FI 

Этап 1. Проведенные  исследования позволили установить следующие параметры определяющие работу беспроводной сети  [1-3]:

a.     Productivity of the WI-FI channel - производительность канала WI-FI

b.    Channel − частотный канал для беспроводной Wi-Fi связи;

c.     Power – мощность передатчика Wi-Fi связи;

d.    Wireless mode − стандарт Wi-Fi связи;

e.     After Burner – технология производителя чип сетов Broadcom;(0 - не использована/1 - использована)

f.      Frame Bursting – технология для снижения расходов, возникающих при работе в беспроводных сетях; ;(0 - не использована/1 - использована)

g.     Beacon –  интервал маяка;

h.     minFrame –минимальный размер фрейма;

i.       maxFrame – максимальный размер фрейма;

j.       DTIM – интервал, регламентирующий доставку трафика.

Этап 2. Параметры a,e,f,g,h,i,j – являются варьируемыми параметрами. Список параметров по умолчанию представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Символ	Название	значение
р1	Productivity of the WI-FI channel	var
р2	AfterBurner(0,1)	0
р3	FrameBursting(0,1)	0
р4	minFrame(0…2347)[бит]	2347
р5	maxFrame(256…2346)[бит]	2346
р6	Beacon(1…1000)[мс]	100
р7	DTIM(1…255)[мс]	1

Регулируемыми параметрами являются: p₂ , p₃ , p₄ , p₅ , p₆ , p₇ .

Этап 3 Используемыми средствами в составе стенда являются:

Web-интерфейс роутера WL500gP v2 , с помощью которого происходит выбор и применение различных параметров Wi-Fi роутера.

Программа INSSIDER от компании Metageek, которая является инструментом для поиска и сбора информации о Wi-Fi сетях в зоне нахождения компьютера. Для найденных сетей с помощью данной программы можно узнать MAC-адрес роутера из «соседней» сети, производителя роутера, канал, используемый данным роутером, идентификатор SSID или публичное название сети, тип безопасности. Кроме того, программа показывает уровень мощности передатчика в dBm и с помощью данной программы можно посмотреть диаграмму «соседних» сетей расположенных в диапазоне 2,4 ГГц и оценить загруженность каналов данного диапазона.

Программа Jperf, которая представляет собой графическую оболочку для консольной программы для измерения пропускной способности канала связи. С помощью программы можно замерить пропускную способность канала между двумя компьютерами в локальной сети, работает в режиме клиент-сервер.

Структура мобильного стенда содержит: мульти-функциональный беспроводной маршрутизатор фирмы ASUS WL500 g.p. v2, поддерживающий стандарты : IEEE 802.11b/g.  и  однородные рабочие станции представленные мобильными компьютерами с  сетевыми Wi-Fi адаптерами фирмы Atheros поддерживающими стандарты : IEEE 802.11b/g.

Связь между устройствами происходит только через AP (AP – Access Point). Настройка исследуемого стенда описана в [3]

Этап 4 Поиск оптимального значения пропускной способности канала WI-FI  начинается со значений регулируемых параметров, определяемых по умолчанию. Подробно эта процедура  изложена в [3].

Выполненные исследования позволили установить:

{}= (0, 0, 2346, 2347, 100, 1);

Этап 5, шаг 1 Параметр p₂ (AfterBurner) – это технология производителя чип сетов Broadcom, которая, по заявкам производителя, позволяет увеличить пропускную способность беспроводной сети на 35 %.

 «Ускорение» достигается за счёт удаления из передаваемых данных «лишней» служебной информации, при этом остаются лишь те данные, без которых нельзя обойтись. Кроме того, используется сжатие данных и принудительное ускорение передачи пакетов.

На рис. 1 изображена зависимость производительности от параметра р₂   AfterBurner. При значении параметра  = 1 получаем прирост производительности. Координаты А ¹  соответствуют следующим значениям  {} = (1, 0, 2346, 2347, 100, 1).

Этап 5, шаг 2 Параметр p₃  (FrameBursting) дает возможность увеличивать пропускную способность соединения при обмене данными устройствами за счет снижения расходов, возникающих при работе в беспроводных сетях. На рис. 2 изображена зависимость производительности от параметра р₃   

     При выборе значений параметра p₃ получаем выигрыш в производительности. А³ имеет следующие координаты (1, 1, 2346, 2347,  100, 1);

 

А1

А’1

Рис. 1. График зависимости производительность от значений  ( AfterBurner)

А’2   А2

Рис. 2. График зависимости пропускной способности от параметра FrameBursting

Этап 5, шаг 3 Параметр minFrame  − минимальный размер не фрагментируемого фрейма.

А’3

Рис. 3. График зависимости производительности от параметра р₄   minFrame

На рис. 3 изображена зависимость производительности от параметра р₄   При применение данного параметра получаем выигрыш в производительности. Т. А₃ имеет следующие координаты А₃ (1, 1, 256, 2347,  100, 1);

Этап 5, шаг 4 На рис. 4 изображена зависимость производительности от параметра р₅   Параметр maxFrame − резервирование среды для передачи фрейма -позволяет задавать максимальный размер фрейма.

бит

Рис. 4. График зависимости производительности от параметра р₅   maxFrame

Этап 5, шаг 5 Параметр Beacon - это служебный фрейм, который точка доступа передает с частотой, определяемой сигнальным интервалом. Сигнальный фрейм (beacon – маяк) обеспечивает временную синхронизацию между точкой доступа и беспроводной станцией, а также синхронизацию специфичных для физического канала параметров. Кроме того, энергосберегающие станции оповещаются о том, что точка доступа имеет для них буферизированные фреймы.

 

Рис. 5. График зависимости производительности от параметра р₆   Beacon

На рис. 5 изображена зависимость производительности от параметра р₆ При применение данного параметра получаем выигрыш в производительности. Т. А₄ имеет следующие координаты А₄ (1, 1, 256, 2347,  300, 1);

Этап 5, шаг 6 Параметр DTIM – с помощью этого параметра настраивается временной интервал, по истечении которого широковещательные и многоадресные пакеты, помещенные в буфер, будут доставлены беспроводным клиентам. Это позволяет мобильным станциям экономить энергию. При работе с приложениями, которые для доставки данных используют широковещательные и многоадресные фреймы, следует использовать интервал сообщений, регламентирующих доставку трафика (DTIM), равный 1, чтобы минимизировать задержку трафика в реальном времени, например многоадресных потоков аудио- и видеоданных

Рис. 6. График производительности от параметра р₇ DTIM

На рис. 6 изображена зависимость производительности от параметра р₇ При выборе данного параметра Т. А₅ имеет следующие координаты А₅ (1, 1, 256, 2347,  300, 100);

Этап 6 Предложенная методика позволяет оптимизировать работу сети. Параметры оптимизированного канала определяют точку А^* Координаты которой соответствуют {}= (1, 1, 256, 2347, 300, 100)

На рис. 7 изображены сравнительные характеристики результаты экспериментальной оценки производительности канала WI-Fi при базовых и оптимизированных настройках Для базовой настройки производительности канала получаем математическое ожидание значения = и среднеквадратическое отклонение = .

Для оптимизированной настройки производительности канала получаем математическое ожидание значения = и среднеквадратическое отклонение = .

оптимизи- рованная настройка     базовая настройка

Рис. 7. Сравнительные результаты экспериментальной оценки производительности канала WI-Fi при базовых и оптимизированных настройках.

4. Заключение

После выполнения этапов методики оптимизации параметров канала Wi-Fi сети. удалось добиться повышения пропускной способности на 59 %. Это свидетельствует о том, что базовая настройка не является эффективной.

Для повышения производительности следует выбирать стандарт используемой связи, оборудование, которое будет поддерживать данный стандарт.

Также были исследованы различные технологии, для увеличения пропускной способности. Технология  Afterburner не дала существенного выигрыша в пропускной способности, при ее использовании отмечены частые коллизии, что еще больше снижает пропускную способность. Зато с использованием технологии Frame Bursting и настройкой ее параметров был получен существенный прирост производительности.

Технология Wi-Fi достаточна перспективная, важно правильно подбирать параметры БЛВС для достижения максимальной производительности, которая сможет конкурировать с производительностью проводных сетей.

Литература

1.     Вишневский В. М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации М. : Техносфера, 2005 . – 592 с.

2.     Vishnevsky V.M., Lyakhov A.I. IEEE 802.11 Wireless LAN: Saturation Throughput Analysis with Seizing Effect Consideration // Cluster Computing, Apr. 2002. V.5, N.2, P. 133-144.

3.     Абросимов Л.И., Руденкова М.А. Измерение вероятностно-временных параметров для оценки пропускной способности WI-FI сети Труды ХХ Международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии» М.: Издательский дом МЭИ, 2013. Том 3. 79-85с.