2.4 Управление доступом к среде IEEE 802.1l

Уровень MAC стандарта IEEE 802.11 охватывает три функциональные области: надежную доставку данных, управление доступом и безопасность. Все они подробно рассмотрены ниже

Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети - режим "Ad-hoc" и клиент/сервер (или режим инфраструктуры - infrastructure mode). В режиме клиент/сервер (рис. 2.4) беспроводная сеть состоит из как минимум одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных

а)б)

Рисунок 2.4 - а)Архитектура сети "клиент/сервер".

б). Архитектура сети "Ad-hoc".

оконечных станций.

Режим "Ad-hoc" (также называемый точка-точка, или независимый базовый набор служб, IBSS) - это простая сеть, в которой связь между многочисленными станциями устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа (рис. 2.4). Такой режим полезен в том случае, если инфраструктура беспроводной сети не сформирована (например, отель, выставочный зал, аэропорт), либо по каким-то причинам не может быть сформирована.

Основной проблемой радиосетей стандарта 802.11 является проблема "скрытого узла". Её суть заключается в том, что две станции могут "слышать" точку доступа, но не могут "слышать" друг друга, в силу большого расстояния или преград. В режиме "Ad-hoc" проблема "скрытого узла" выражается в следующем: если станция А посылает сигнал в направлении станции В, появление несущей в радиоэфире могут зафиксировать лишь те станции, которые расположены в зоне станции В. Для других станций уровень принимаемого сигнала будет находится ниже порогового, поэтому эти станции фиксируют факт отсутствия радиопередачи в эфире. Иначе говоря, станция С может также начать передачу и поскольку приемник станции В находится одновременно и в зоне станции С, такая передача вызовет коллизию сигналов на входе приемника станции В. Эта коллизия не может быть успешно обнаружена станцией В во время передачи, поскольку все передатчики сети работают, как известно, в полудуплексном режиме. Наличие коллизии может быть зафиксировано лишь спустя определенное время тайм-аута по отсутствию сигнала подтверждения ACK.

Рисунок 2.5 - Иллюстрация проблемы "скрытого узла"

Для решения этой проблемы в 802.11 на MAC уровне был добавлен необязательный протокол Request to Send/Clear to Send (RTS/CTS). Когда используется этот протокол, посылающая станция передаёт кадр RTS и ждёт ответа точки доступа с кадром CTS. Так как все станции в сети могут "слышать" точку доступа, кадр CTS заставляет их отложить свои передачи, что позволяет передающей станции передать данные и получить подтверждение ACK без возможности коллизий. Обмен кадрами RTS и CTS в режиме "Ad-hoc" показан на рисунке 2.6.

Введение механизма RTS/CTS позволяет увеличить эффективность использования выделенной системе полосы частот за счет уменьшения вероятности коллизии. Уменьшение вероятности коллизии происходит так же и за счет сокращения числа станций, способных вызвать коллизию, на число станций, расположенных в пределах «очищенных» зон, так и за счет исключения возможности коллизии кадров данных, длина которых, как правило, значительно превышает длину управляющих кадров. Вероятность коллизии за время передачи кадров RTS и CTS является низкой, поскольку их длина составляет 20 и 14 байт соответственно.

Рисунок 2.6 - Решение проблемы "скрытого узла" с помощью механизма RTS/CTS: слева показана зона, «очищенная» после передачи кадра RTS, справа - зона, «очищенная» после передачи кадра CTS

В то же время введение управляющих кадров в основной режим радиообмена требует выделения части пропускной способности канала под передачу кадров RTS и CTS, что вызывает снижение эффективности использования выделенной полосы частот.

Резервирование географической зоны, представляющей собой объединение зон подвижной станции и точки доступа, на период CTS+DATA+ACK+3SIFS+DIFS (см.рис. 2.8) также приводит к снижению эффективности использования выделенной полосы частот.

Положительный эффект от применения механизма RTS/CTS в случае пакетов со средней длиной большей 600 байт заключается в повышении полезной пропускной способности сети, имеющей скрытые узлы, а также в уменьшении времени доступа к среде передачи для подвижных станций.

Так как механизм RTS/CTS добавляет дополнительные накладные расходы на сеть, временно резервируя несущую, его использование оправдано только для пакетов очень большой длины, для которых повторная передача вызывает недопустимые задержки.

NAV - network allocation vector; SIFS - short interframe space; DIFS - distributed (coordination function) interframe space; MPDU - MAC protocol data unit; , где - номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2, …; Slot_time - интервал отсрочки, бит

Рисунок 2.7 - Механизм RTS/CTS

К числу недостатков механизма RTS/CTS следует отнести неполное устранение возможности возникновения коллизий. Как показано на рисунке 2.8, работа узлов А и F может вызвать коллизию кадров на входе приемника D.

Рисунок 2.8 - Возможность возникновения коллизии при использовании механизма RTS/CTS

Избежать коллизию в этом случае можно за счет выбора специального режима управления мощностью передатчиков узлов. Как влияет различие в мощности передатчиков узлов на возможность коллизии кадров показано на рисунок 2.9. Здесь узлы А и В используют более низкие уровни передачи, нежели узлы С и D, тем самым полностью исключая возможность создания помех узлам С и D. Однако узел С является в этом случае источником помех для узла В.

Рисунок 2.9 - Управление мощностью в стандарте IEEE 802.11.

Простое решение проблемы коллизий может заключаться в увеличении мощности передатчика только на время передачи кадров RTS и CTS: в момент передачи кадров RTS или CTS уровень передачи должен быть максимальным и понижаться до минимально необходимого во время передачи кадров данных и подтверждения АСК. Минимально необходимый уровень передачи может вычисляться узлами А и В во время приема кадров CTS и RTS с учетом тепловых шумов приемников.

Как показано на рисунок 2.4.1.6, узлы А и В передают кадры RTS и CTS соответственно при высоком уровне передачи, что позволяет успешно принять кадр CTS узлу С и отложить передачу на определенное время. Диаграмма обмена сообщениями для этого случая представлена на рисунке 2.10. Уменьшение мощности передатчиков на время обмена кадрами данных и подтверждения АСК позволяет экономно использовать энергию аккумуляторов на узлах А и В.

EIFS - extended interframe space (364 мкс для скорости передачи данных 1 Мбит/с и 212 мкс для скорости передачи данных 2 Мбит/с)

Рисунок 2.10 - Диаграмма обмена сообщениями между узлами сети

Для устранения нежелательного эффекта искажения кадров данных и подтверждения, которые передаются при пониженном уровне передачи, в стандарте IEEE 802.11 используется протокол PCM (Proposed Power Control MAC), идея которого заключается в принудительном периодическом увеличении мощности передатчика до максимального уровня во время передачи кадров данных. Менее «энергосберегающая» версия протокола PCM 40 определяет увеличение мощности передатчика до на протяжении 40 мкс с периодом 210 мкс.

Рисунок 2.11 - Управление мощностью по протоколу PCM