BC/NW 2015 № 1 (26) 4:1

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛИ БИАНЧИ

 

Ландырев А.Г., Иванов А.В.

 

В данной статье рассматривается задача использования беспроводных каналов передачи данных в сети управления зданиями АСУЗ с использованием протокола BACnet.

В состав АСУЗ входит микро-ЭВМ Raspberry Pi и микропроцессорная система, построенная на базе микроконтроллера MSP430FR5739. На их основе построена локальная сеть BACnet 802.11.

IEEE 802.11 — набор стандартов связи для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне частотных диапазонов 0,9, 2,4, 3,6 и 5 ГГц.

Пользователям IEEE 802.11 более известен под названием Wi-Fi, фактически являющемуся брендом, предложенным и продвигаемым организацией Wi-Fi Alliance. Получил широкое распространение благодаря развитию мобильных электронно-вычислительных устройств: КПК и ноутбуков.

Беспроводная сеть стандарта IEEE 802.11 представляет собой среду, разделяемую беспроводными устройствами: абонентами и точкой доступа. Множественный доступ к среде с контролем несущей и избеганием коллизий (CSMA/CA) организуется следующим образом. Станция, желающая начать передачу данных, тестирует канал, и если не обнаруживает активности в течении интервала времени DIFS (DCF interframe space), ожидает случайный промежуток времени back off period, а затем передаёт, если канал всё ещё свободен. Если кадр приходит целым, принимающая станция ожидает интервал времени SIFS (short interframe space) и затем посылает кадр подтверждения АСК (acknowledge). Если передающая станция не получила кадр АСК, делается предположение, что произошла коллизия, и кадр передается снова, через случайный промежуток времени.

Интервал back off period состоит из определенного количества интервалов времени – слотов. Количество слотов (CW – contention window, окно конкурентного доступа) – равномерно распределенная случайная величина. Если предыдущая передача прошла успешно, значение CW выбирается случайно, из интервала [0;CWmin), где CWmin задается на стандартом, и отличается для разных версий стандарта 802.11. Если предыдущая передача закончилась неудачей, CW выбирается из интервала [0;2i (CWmin+1)), где i – количество неудавшихся передач. Если несколько станций соревнуются за доступ к моноканалу и у одной из станций back off period заканчивается, она начинает передавать, а другие станции переводятся в режим ожидания. В течение интервала back off  в каждом слоте станции проверяют, свободна ли среда, и если среда свободна, уменьшают значения счетчика back off, в противном случае – приостанавливают процедуру и замораживают текущие значения счетчиков. Когда среда освобождается вновь, эти станции соревнуются с уже имеющимися значениями back off.

Канальный уровень 802.11 определяет два режима передачи: с предварительной установкой соединения и без нее. Режим с предварительной установкой соединения использует метод Request to Send/Clear to Send (RTS/TCS), в котором посылающая станция передаёт кадр RTS и ждет ответа точки доступа с кадром CTS. Сигнал CTS заставляет все станции в сети отложить свои передачи на время завершения сеанса связи и получения кадра АСК передающей станцией. Использование метода RTS/CTS опционально и задается на станции инициализации сети.

В данной работе рассматривается сеть, построенная с использованием контроллера, называемого системным контроллером, и микропроцессорной системой построенной, которая снимает показания с датчиков. Для обмена данными между микроконтроллером и микропроцессорной системой используется протокол BACnet MS/TP и канал RS-485. Данные персональному компьютеру передаются по каналу 802.11 персональному компьютеру (станция оператора).

Для исследования беспроводной сети выбрано аналитическое моделирование на основе модели Бианчи, которое, несмотря на менее точное описание протокола, выдает результаты на несколько порядков быстрее, чем в случае имитационного моделирования.

При построении аналитической модели сети будет использована модель Бианчи, описанная в статье [1]. С помощью этой модели будет рассчитана пропускная способность сети.

Модель Бианчи использует двумерную цепь Маркова из m+1 шагов, где каждый шаг представляет собой таймер ожидания случайного интервала (back off period)[1]. Переход происходит при коллизии и при удачной передаче, на шаг выше (например, с шага i – 1 на один шаг выше на рис. 1) или на один шаг ниже, соответственно. Графическое изображение модели двумерной цепи Маркова представлено на рисунке 1.

Рис.1. Модель окна конкурентного доступа CSMA/CA, с использованием цепи Маркова

На каждом шаге, CWi – это максимально возможное значение CW для этого шага и равняется 2i(CWmin+1). Если передача кадра прошла удачна в любом состоянии (i,0), значение CW выбирается случайно из интервала [0;CW0-1), с вероятностью , где р – это вероятность того, что в момент попытки передачи данных данной станцией, хотя бы одна из оставшихся N-1 станций так же будет осуществлять попытку передачи данных. Для данной цепи Маркова было найдено  конечное решение, относительно р (вероятность коллизии) и  (вероятность того, что станция выполняет передачу).

Теперь, когда вероятности получены, производительность сети можно посчитать, как среднее количество полезной информации, переданное за среднее количество временных слотов:

(1)

где  это вероятность, что хотя бы передача выполняется в данный слот времени, L это средний размер полезной информации, Ts – среднее время, необходимое на передачу пакета размером L,  это вероятность удачной передачи, Tid – длинна одного слота и TC – среднее время, проведенное в состоянии коллизии.

TC и Ts для базового режима (без RTS и CTS пакетов) может быть посчитан таким образом:

(2)

 где H, L и ACK это время необходимое для того чтобы отправить заголовок пакета, полезную информацию и АСК, соответственно.  – задержка распространения. Для режима передачи RTS/CTS, Tc и TS можно вычислить как:

 

(3)

Очевидно, что данные выражения являются аналитической моделью беспроводного канала 802.11, работающего в условиях коллизий и битовых помех.

Численное решение для данной модели будет рассчитано для версии стандарта 802.11n, как самой распространённой на данный момент. Скорость передачи данных в сети равна 150Мбит/с брутто. Значения задержек, используемые в CSMA/CA указаны в таблице 1.

Таблица 1. Задержки, предусмотренные стандартом 802.11g

Наименование параметра

Значение

DIFS (мкс)

28

SIFS (мкс)

10

Tid – длина слота (мкс)

9

CWmin (слотов)

15

CWmax (слотов)

1023

Количество устройств, использующих Wi-Fi сеть, может сильно варьироваться в разных сетях, поэтому мы возьмем широкий промежуток, от 5 до 50 устройств.

Сделаем расчет параметров, зафиксировав некоторые из входных данных. Для расчета параметров используется программное обеспечение для инженерных расчетов Mathcad.

Чтобы определить средний размер кадра в сети BACnet воспользуемся исследованием компании Alerton [2], проведенным в одной из самых крупнейших BACnet сетей «The 450 Golden Gate Project». В результате данного исследования была определена средняя и пиковая нагрузка на сеть BACnet, состоящую более чем из 1000 устройств, а так же средний размер кадра, равный 92 байта. Это значение мы и возьмем, в качестве выходных данных.

Построим зависимость производительности от количества устройств и от  использования механизма RTS/CTS, для размера пакета равного 92 байтам. График зависимости для 802.11n изображен на рис. 2.

Рис. 2. Производительность сети 802.11n при размере кадра равного 92 байт

 

При увеличении количества устройств в сети производительности сети заметно снижается, из-за возрастающего количества коллизий. Как видно из графика, механизм исключения коллизий кадров CTS/RTS отрицательно влияет на производительность сети, ввиду того, средний размер передаваемых пакетов в нашей сети достаточно мал (всего 92 байта, из 1515 возможных.

Для проверки адекватности модели посчитаем производительность для количества устройств N=3 и размера кадра  [60;1460], а так же измерим производительность экспериментального стенда с той же конфигурацией. График с данными, полученными в результате моделирования и в результате эксперимента изображен на рис. 3.

Как видно, графики очень близки по своим значениям, и поэтому можно воспользоваться аналитической моделью при создании АСУЗ с использованием сети BACnet Wi-Fi в качестве ЛВС.

Рис. 3. Сравнительный график зависимости производительности сети 802.11n с тремя устройствами от размера пакета данных

 

Литература

1.                 M.H. Manshaei, J.P. Hubaux [http://mobnet.epfl.ch/2009/slides/C1-80211-Perf-Bianchi.pdf]: Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination, Mobile Networks, 2007

2.                 BACnet Traffic Volume on Ethernet [https://alerton.com/en-US/support/whitepapers/Documents/MK-WP-BACNETTRAFFIC.pdf], Honeywell In-ternational Inc, 2006