19th Telecommunications forum TELFOR 2011 Serbia, Belgrade, November 22-24, 2011.

978-1-4577-1500-6/11/$26.00 ©2011 IEEE

Analiza tehnika kontrole pristupa medijumu u

IEEE 802.11s mrežamaJelena Tomic, Nataša Neškovic

Sadržaj — U ovom radu izvršena je procena performansiIEEE 802.11s mreže. U tu svrhu, u okviru programskogjezika C implementiran je program kojim se simuliraproces nadmetanja za pristup medijumu po principimaEDCA (Enhanced Distributed Channel Access) i MCCA(Mesh Coordination Function Coordinated Channel Access)mehanizama. Pri tome je izvršen prikaz prosecne brzineprenosa podataka i srednjeg kašnjenja paketa, za razlicitekategorije saobracaja, u zavisnosti od broja Mesh stanica, kaoi MAF (MCCA Access Fraction) vrednosti.

Kljucne reci — MCF, EDCA, MCCA, WLAN Mesh

mreže.

I UVOD

RASTUCI zahtevi korisnika za velikim brzinama prenosa

podataka, visokim kvalitetom prenosa, unapredenjem

sigurnosti i zaštite, kao i za pristupom multimedijalnim

servisima, podsticu razvoj bežicnih telekomunikacionih

sistema, medu kojima posebno važnu ulogu imaju

WLAN (Wireless Local Area Network) mreže definisane

razlicitim verzijama IEEE 802.11 standarda. Razlozi velike

popularnosti i široke primene IEEE 802.11 standarda su

niska cena i jednostavna implementacija mreže, podrška

mobilnosti korisnika uz kontinuitet veze, kao i visoki

protoci. Kako bi se pokrila što veca površina IEEE 802.11

signalom, postavlja se veci broj pristupnih tacaka (AP,

Access Point) uz odredeno preklapanje njihovih zona

pokrivanja. Pri tom se komunikacija izmedu AP-a ostvaruje

preko distributivnog sistema koji je najcešce realizovan kao

žicana LAN mreža. Zbog visoke cene žicane infrastrukture,

a i da bi se omogucila mobilnost AP-a, javlja se potreba

za bežicnim povezivanjem AP-a, kao i za razvojem

bežicne Mesh mreže zasnovane na IEEE 802.11 standardu

(WLAN Mesh mreže). Implementacijom WLAN Mesh mreže

omogucava se povecanje kapaciteta, redundantnosti, kao i

pouzdanosti mreže, uz smanjenje troškova implementacije

dela ili citave bežicne mreže. Iz navedenih razloga, 2004.

godine u okviru 802.11 radne grupe formira se Task grupa

„S”. Kao rezultat rada date grupe, 2006. godine doneta je

prva draft verzija IEEE 802.11s standarda.

Draft verzijom IEEE 802.11s standarda definisan je novi

tip BSS (Basic Service Set), MBSS (Mesh Basic ServiceSet), kog formiraju Mesh stanice koje, pored toga što

mogu biti izvor i odredišta podataka, imaju i relejnu ulogu

u prosledivanju podataka. Predložena su dva protokola

rutiranja: RA–OLSR (Radio–Aware Optimized Link StateRouting) i HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol), koji

se zasniva na AODV (Adhoc On–demand Distance Vector)

protokolu. Draft verzijom promenjen je i format MAC

(Medium Access Control) okvira, a definisana je i MCF

(Mesh Coordination Function) koordinaciona procedura

koja se implementira iskljucivo u Mesh stanicama, a pri

tom obuhvata EDCA, kao osnovni metod, i MCCA, kao

opcioni metod pristupa bežicnom medijumu u WLAN Meshmrežama.

Rad je organizovan u 4 poglavlja. U drugom poglavlju

predstavljene su teoretske osnove EDCA i MCCA tehnika.

Rezultati simulacija i njihova analiza dati su u trecem

poglavlju, dok su zakljucna razmatranja izložena u cetvrtom

poglavlju.

II MCF KOORDINACIONA PROCEDURA

A. EDCA mehanizam

EDCA tehnika omogucava distribuirani mehanizam

pristupa bežicnom medijumu na osnovu razlicitih prioriteta

saobracaja. EDCA definiše cetiri kategorije pristupa (AC,

Access Category), pri cemu se na osnovu prioriteta podataka

saobracaj mapira u odgovarajucu kategoriju: AC_VO

(Voice), AC_VI (Video), AC_BE (Best Effort) ili AC_BK

(Background). Pri tome, AC_VO predstavlja kategoriju

najvišeg prioriteta, dok je AC_BK kategorija najnižeg

prioriteta.

U okviru jedne stanice postoje 4 nezavisne EDCA

funkcije (EDCAF, EDCA Function), pri cemu svakoj

EDCAF odgovara jedna od cetiri kategorije pristupa. Svakoj

EDCAF funkciji je pridružen odgovarajuci set parametara:

• AIFS (Arbitration InterFrame Space) — minimalni

vremenski interval tokom kojeg je medijum slobodan

pre nego što zapocne predaja paketa ili backoffprocedura;

• CWmin i CWmax — minimalna i maksimalna

velicina konkurentskog prozara (CW, ContentionWindow) korišcenog za backoff proceduru;

• TXOP Limit — maksimalno trajanje TXOP

(Transmission Opportunity) perioda tokom kog

EDCAF ima pravo da šalje pakete nakon dobijanja

pristupa medijumu.

Standardne vrednosti EDCA parametara date su u tabeli 1.

TABELA 1: STANDARDNI EDCA PARAMETRI

AC CWmin CWmax AIFSN

AC_VO 7 15 2

AC_VI 15 31 2

AC_BE 31 1023 3

AC_BK 31 1023 7

Jelena Tomic, Elektrotehnicki fakultet, Beograd, jankulesku@gmail.com

Nataša Neškovic, Elektrotehnicki fakultet, Beograd, natasha@etf.rs

513

AC kategorijama višeg prioriteta odgovaraju kraci

AIFS[AC] vremenski intervali, kao i manje velicine

konkurentskih prozora, tako da date kategorije cekaju krace

na pristup medijumu, pa je i vreme kašnjenja njihovih paketa

manje.

Svaka EDCAF funkcija ponaša se kao virtuelna stanica

koja se nadmece za pristup medijumu primenom CSMA/CA

(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

mehanizma i backoff algoritma, uzimajuci u obzir parametre

specificne za tu kategoriju.

B. MCCA mehanizam

MCCA mehanizam omogucava Mesh stanicama

da pristupe bežicnom medijumu tokom rezervisanih

vremenskih intervala. Kako bi rezervisala periodicni

MCCAOP (MCCA Opportunity) interval, Mesh stanica

(MCCAOP owner) šalje MCCA Setup Request okvir

odgovarajucoj susednoj Mesh stanici (MCCAOP responder-

u). Pri izboru MCCAOP intervala, MCCAOP owner mora

voditi racuna da se dati vremenski interval ne poklapa sa

njenim neighborhood MCCAOP intervalima (MCCAOP

intervalima za koje je data stanica ili neka od njenih susednih

Mesh stanica owner ili responder), kao ni sa neighborhoodMCCAOP intervalima MCCAOP responder-a. MCCAOPresponder, po prijemu zahteva za rezervisanje MCCAOP

intervala, šalje MCCA Setup Reply okvir MCCAOP owner-

u kako bi prihvatio ili odbio primljeni zahtev. MCCAOP

interval se može opisati sledecim parametrima:

• MCCAOP duration — trajanje MCCAOP intervala;

• MCCAOP periodicity — broj MCCAOP intervala

tokom DTIM (Delivery Traffic Indication Message)

perioda (vremenskog intervala izmedu uzastopnih

DTIM beacon okvira koje emituje MCCAOP owner);

• MCCAOP offset — ofset prvog MCCAOP intervala u

odnosu na pocetak DTIM intervala.

Nakon rezervisanja MCCAOP intervala, kako bi

prosledili informacije o datom intervalu, MCCAOP owner i

MCCAOP responder šalju MCCAOP Advertisement okvire

susednim Mesh stanicama.

Na pocetku MCCAOP intervala, svaka od cetiri EDCAF

funkcije MCCAOP owner-a postavlja minimalnu velicinu

konkurentskog prozora CWmin[AC] na MCCACWmin

vrednost, maksimalnu velicinu konkurentskog prozora

CWmax[AC] na MCCACWmax vrednost, AIFSN[AC] na

MCCAAIFSN vrednost. Pri tom, trajanje TXOP perioda

ne sme biti duže od trajanja MCCAOP intervala. Tokom

MCCAOP intervala EDCAF funkcije MCCAOP owner-

a se nadmecu za pristup bežicnom medijumu kako bi

poslale odgovarajuce okvire podataka MCCAOP responder-

u. Iako se susedne Mesh stanice MCCAOP owner-a i

MCCAOP responder-a (u kojima je implementiran MCCA)

ne nadmecu za pristup medijumu tokom odgovarajuceg

MCCAOP intervala (kako ne bi ugrozile komunikaciju

MCCAOP owner-a i MCCAOP responder-a), one mogu

zapoceti predaju neposredno pre pocetka datog intervala,

što za posledicu može imati preklapanje MCCAOP i

EDCA TXOP perioda, tako da može doci do skracenja

trajanja MCCAOP intervala ili do kolizije usled postojanja

„skrivenog cvora”. Kao rešenje datog problema predlaže se

da stanica, pre nego što zapocne predaju, proveri da li joj

je preostalo dovoljno vremena za slanje paketa pre pocetka

narednog MCCAOP intervala.

MCCAOP owner, kao i MCCAOP responder, može

zahtevati poništenje rezervacije MCCAOP intervala

slanjem MCCA Teardown okvira. Ako ne primi ni jedan

okvir emitovan od strane MCCAOP owner-a tokom

odgovarjucih MCCAOP intervala u toku MCCAOPtimeoutvremena, MCCAOP responder šalje MCCA Teardown okvir

MCCAOP owner-u. MCCAOP owner zahteva poništenje

rezervacije MCCAOP intervala ako ne primi potvrdu

ni za jedan okvir poslat MCCAOP responder-u tokom

MCCAOPtimeout perioda.

Kako bi se ogranicila upotreba MCCA tehnike, definiše

se MAF Limit vrednost kao maksimalna MAF vrednost,

pri cemu MAF vrednost odredene Mesh stanice predstavlja

odnos trajanja svih rezervisanih neighborhood MCCAOP

intervala date stanice tokom DTIM perioda i samog trajanja

DTIM perioda.

III REZULTATI SIMULACIJE

U cilju analize nadmetanja za pristup bežicnom medijumu

u IEEE 802.11s mrežama, u programskom jeziku C razvijen

je programski paket kojim se simulira primena EDCA i

MCCA mehanizama nadmetanja. Izvršene su simulacije za

razlicite scenarije kako bi se uporedili protoci koje ostvaruju

razlicite EDCAF funkcije, kao i prosecna kašnjenja paketa.

Topologija posmatrane mreže sastoji se od jednog MBSS

i promenljivog broja Mesh stanica (Sl. 1). Pri tome, u zoni

pokrivanja svake Mesh stanice nalaze se iskljucivo njene

susedne stanice. Razmatran je slucaj u kom sve stanice,

pored toga što imaju relejnu ulogu, mogu biti i izvori i

odredišta paketa (režim 1), kao i slucaj u kom samo prva

i poslednja stanica u nizu generišu pakete, dok preostale

stanice imaju relejnu ulogu (režim 2).

Mesh STA 1 Mesh STA 2 Mesh STA 3 Mesh STA nSl. 1: Topologija mreže

U okviru stanica implementirana je MCF funkcija.

Posmatrani su scenariji u kojima Mesh stanice koriste

samo EDCA mehanizam pristupa, kao i scenariji u kojima

se primenjuje i MCCA mehanizam. Pri tom je izvršena

simulacija za razlicite MAF vrednosti (0 ≤ MAF < 1).

U slucaju primene MCCA tehnike, smatrace se da su sve

Mesh stanice rezervisale MCCAOP vremenske intervale za

slanje paketa ka odgovarajucim susednim stanicama (prva i

poslednja stanica u nizu po jedan, a preostale stanice po dva

MCCAOP intervala). Trajanje svih MCCAOP vremenskih

intervala je isto i iznosi 2048μs.

Na fizickom sloju implementirana je ERP–OFDM

(802.11g) tehnika. Saobracaj svih kategorija generiše se na

principu CBR (Constant Bit Rate), tj. paketi se generišu u

konstantnim vremenskim intervalima. Tokom simulacije sve

stanice (po AC kategorijama) generišu pakete iste velicine.

Velicine paketa po kategorijama i intervali u kojima se

generišu prikazani su u tabeli 2.

514

TABELA 2: PARAMETRI KORIŠCENI U SIMULACIJI

AC AC_VO AC_VI AC_BK

Velicina paketa (Byte) 160 1280 1600

Interval izmedu paketa (ms) 20 16 12.5

Generisani protok (kB/s) 8 80 128

Sl. 2–8 prikazuju rezultate simulacija za režim rada u kom

sve stanice generišu pakete (režim 1), dok su na Sl. 9–13

prikazani rezultati dobijeni za režim rada u kom samo prva i

poslednja stanica niza generišu pakete, dok preostale stanice

imaju relejnu ulogu (režim 2). Na svakom grafiku prikazano

je po 6 krivih koje odgovaraju razlicitim MAF vrednostima.

4 6 8 10 12

400

600

Broj stanica

Brz

ina

pren

osa

[kB

/s] 0 0.3

0.6 0.750.8 0.9

Sl. 2: Srednja brzina prenosa podataka jedne stanice

4 6 8 10 1210

20

30

Broj stanica

Brz

ina

pren

osa

[kB

/s] 0 0.3

0.6 0.750.8 0.9

Sl. 3: Srednja brzina prenosa voice paketa jedne stanice

4 6 8 10 12

1

2

3

Broj stanica

Kaš

njen

je[m

s/ho

p]

0 0.30.6 0.750.8 0.9

Sl. 4: Srednje kašnjenje voice paketa (režim 1)

4 6 8 10 12100

200

300

Broj stanica

Brz

ina

pren

osa

[kB

/s] 0 0.3

0.6 0.750.8 0.9

Sl. 5: Srednja brzina prenosa video paketa jedne stanice

4 6 8 10 120

2

4

6

8

Broj stanica

Kaš

njen

je[m

s/ho

p]

0 0.30.6 0.750.8 0.9

Sl. 6: Srednje kašnjenje video paketa (režim 1)

4 6 8 10 12100

200

300

400

Broj stanica

Brz

ina

pren

osa

[kB

/s] 0 0.3

0.6 0.750.8 0.9

Sl. 7: Srednja brzina prenosa background paketa jedne stanice

4 6 8 10 120

0.5

1·104

Broj stanica

Kaš

njen

je[m

s/ho

p] 0 0.30.6 0.750.8 0.9

Sl. 8: Srednje kašnjenje background paketa (režim 1)

4 6 8 10 12

15.9

15.95

16

Broj stanica

Brz

ina

pren

osa

[kB

/s]

0 0.30.6 0.750.8 0.9

Sl. 9: Brzina prenosa voice paketa do odredišne stanice

4 6 8 10 12

0.2

0.3

0.4

0.5

Broj stanica

Kaš

njen

je[m

s/ho

p]

0 0.30.6 0.750.8 0.9

Sl. 10: Srednje kašnjenje voice paketa (režim 2)

515

4 6 8 10 12

145

150

155

160

Broj stanica

Brz

ina

pren

osa

[kB

/s] 0 0.3

0.6 0.750.8 0.9

Sl. 11: Brzina prenosa video paketa do odredišne stanice

4 6 8 10 12

0.4

0.6

0.8

1

Broj stanica

Kaš

njen

je[m

s/ho

p]

0 0.30.6 0.750.8 0.9

Sl. 12: Srednje kašnjenje video paketa (režim 2)

4 6 8 10 12

220

240

260

Broj stanica

Brz

ina

pren

osa

[kB

/s]

0 0.30.6 0.750.8 0.9

Sl. 13: Brzina prenosa background paketa do odredišne stanice

4 6 8 10 120

200

400

600

Broj stanica

Kaš

njen

je[m

s/ho

p]

0 0.30.6 0.750.8 0.9

Sl. 14: Srednje kašnjenje background paketa (režim 2)

IV ZAKLJUCAK

Na osnovu izvršenih simulacija i analize dobijenih

rezultata dolazi se do nekoliko važnih zakljucaka o

karakteristikama WLAN Mesh mreža, kao i podršci kvalitetu

servisa u tim mrežama. Uoceno je da se primenom MCCA

tehnike povecava ukupni protok po stanici WLAN Meshmreže, i to sa povecanjem MAF vrednosti. Pri tom, najviše

raste brzina prenosa background paketa pošto se tokom

MCCAOP vremenskih intervala ne vrši prioritizacija voicei video saobracaja. Sa povecnjem broja stanica, odnosno

sa povecanjem opterecenja mreže, uocljiviji je i doprinos

povecanja MAF vrednosti porastu brzine prenosa videopaketa. U slucaju prenosa voice saobracaja, za parametre

korišcene u simulaciji, nije uocljiv uticaj povecanja MAF

vrednosti na povecanje protoka pošto se najveci deo voicesaobracaja prenosi tokom vremenskih intervala primene

EDCA mehanizma pristupa, ali se ocekuje da ce pri

vecim opterecenjima mreže porast MAF vrednosti doprineti

znatnijem povecanju brzine prenosa voice saobracaja.

Pošto EDCA mehanizam pristupa favorizuje prenos voicei video saobracaja, veliko je srednje kašnjenje backgroundpaketa, ali se uvodenjem MCCA mehanizma kašnjenje

znacajno smanjuje. Srednja kašnjenja voice i video paketa po

hopu rastu sa povecanjem MAF vrednosti zbog veceg udela

background saobracaja u ukupnom prenosu.

Rezultati simulacije mogu biti znacajni za donošenje

odluka o definisanju MAF Limit vrednosti na osnovu zahteva

u pogledu kašnjenja paketa, varijacije kašnjenja, brzine

prenosa i dr. Pored ovde prikazanih rezultata, može se

prikazati i varijacija kašnjenja paketa (jitter), kao i procenat

paketa prenetih tokom MCCAOP intervala.

LITERATURA

[1] IEEE P802.11s/D6.0, 2010.

[2] J. Tomic, Master rad „Analiza tehnika kontrole pristupa

medijumu u IEEE 802.11s mrežama”, Elektrotehnicki

fakultet, Beograd, 2011.

[3] G.R. Hiertz, D. Denteneer, S. Max, R. Taori, J. Cardona,

L. Berlemann, B. Walke, „IEEE 802.11S: The WLAN

Mesh Standard”, IEEE Wireless Communications,

2010.

[4] G.R. Hiertz, S. Max, T. Junge, D. Denteneert, L.

Berlemann, „IEEE 802.11s — Mesh Deterministic

Access”, Wireless Conference, 2008.

[5] E.K. Obot, I.A. Akande, „Evaluation of the pre

IEEE 802.11s RFC: Aspects of the Design and

Implementation of the Mesh Station, with RA–OLSR in

the C–Core”, Blekinge Institute of Technology, 2009.

ABSTRACT

In this paper we evaluated performances of IEEE 802.11s

networks. In that purpose, we simulated competition

for the medium based on EDCA (Enhanced DistributedChannel Access) and MCCA (Mesh CoordinationFunction Coordinated Channel Access) mechanisms, using

programming language C. We analysed and presented

achieved simulation results (average throughput for different

traffic categories and average packet delay) depending on

the number of Mesh stations and the MAF (MCCA AccessFraction) values.

AN ANALYSIS OF MEDIUM ACCESSCONTROL IN IEEE 802.11S NETWORKS

Jelena Tomic, Nataša Neškovic

516