Качество сервиса для 802.11а/b

Голосовые приложения по беспроводным локальным сетям.

Беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Network, WLAN) пригодны не только для передачи данных, но и для голосовых приложений. Мобильные телефоны с поддержкой передачи голоса по IP могут в скором времени полностью заменить классические беспроводные телефоны европейского стандарта на цифровую беспроводную связь (Digital European Cordless Telecommunications, DECT). Благодаря IP-телефонии доступ в локальную беспроводную сеть получат также карманные компьютеры и ноутбуки. Однако для голосовых услуг до сих пор еще не утвержден стандарт по обеспечению качества сервиса (Quality of Service, QoS). В статье рассказывается о технических аспектах и возможностях реализации QoS в локальных беспроводных сетях.

Технологии беспроводных локальных сетей описываются стандартами рабочих групп IEEE с обозначением 802.11. Наиболее широкое распространение получила технология WLAN стандарта 802.11b. В последнем, среди прочего, определяется, что компоненты, применяемые в нелицензируемом в большинстве стран диапазоне частот 2,4 ГГц, передают данные с максимальной скоростью 11 Мбит/с. Наряду с этим вариантом существует стандарт 802.11а для работы в диапазоне частот 5 ГГц. Он нацелен на обеспечение пропускной способности до 54 Мбит/с.

Поскольку WLAN является технологией с разделяемой средой передачи (shared medium), все работающие в одном диапазоне пользователи вынуждены довольствоваться общей доступной полосой (максимум 11 или 54 Мбит/с). Это означает, что с ростом числа пользователей, т. е. с увеличением объема трафика, качество передачи данных ухудшается. Какие-либо действенные механизмы, гарантирующие приложениям полное (сквозное) качество предоставляемых услуг, в стандартах 802.11а/b отсутствуют. Для достижения наилучших устойчивых характеристик и, тем самым, необходимого для голосовых приложений качества услуг требуется найти подходящее, в соответствии со станциями, распределение предоставленных частотных полос и обеспечить минимальное количество помех в выбранных радиоканалах. Такой метод называется координацией доступа.

ЗНАЧИМЫЕ ДЛЯ QOS ПАРАМЕТРЫ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ГОЛОСОВЫХ ПАКЕТОВ ПО ЛОКАЛЬНЫМ СЕТЯМ

Реализация голосовых и других важных приложений в локальных сетях предъявляет особые требования к инфраструктуре. Для обеспечения высокого качества приложений реального времени некоторым параметрам передачи необходимо сопоставить оценки качества услуг. Эти параметры должны быть гарантированы при передаче через соответствующую инфраструктуру. Так, в случае голосовых данных устанавливаются время задержки (Delay), ее вариация (Jitter) и потери пакетов (Packet Loss).

Параметр «время задержки» определяет срок, за который пакет данных передается от одной базовой точки (передатчик) к другой (приемник). Значительное влияние на время задержки оказывают такие факторы, как среда передачи данных (например, оптическое волокно или медный кабель, воздух), а также сетевые компоненты — маршрутизаторы, коммутаторы и мосты. Если время задержки пакетов реального времени для голосовых приложений велико, т. е. происходит замедление передачи, то диалог становится неестественным, он оказывается затруднен из-за искажений, эха и пауз.

Приемлемое время задержки — значение менее 25 мс в случае обычного местного звонка и менее 125 мс для международного. Предельное значение, при котором качество заметно ухудшается, составляет 90 мс. При значениях времени задержки более 150 мс качество передачи речи считается неудовлетворительным.

Параметр вариации задержки описывает разницу между временем задержки различных пакетов данных. При слишком больших расхождениях пользователи воспринимают качество передачи голоса, даже при приемлемом времени задержки, как низкое и неестественное.

Потери пакетов определяются отношением числа не дошедших до получателя пакетов (включая те, содержание которых невозможно восстановить) к числу отправленных. Доля потерянных пакетов в среде передачи голоса по IP не может превышать порога в 5%, иначе неизбежны значительные потери качества.

КАЧЕСТВО УСЛУГ ПОСРЕДСТВОМ КООРДИНАЦИИ ДОСТУПА К ETHERNET

Координация распределения среды передачи между станциями в Ethernet происходит при помощи метода множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD). С его помощью станция определяет, можно ли начать передачу или следует подождать по причине загруженности среды и повторить попытку через некоторое время. Как только среда освобождается, начинается передача данных. Отдельные станции слушают сеть на предмет выявления факта передачи. Когда активная станция заканчивает процесс передачи, прочие, если это необходимо, пытаются его начать. При возникновении конфликтов (см. станции В и С на Рисунке 1) станции вынуждены выдержать паузу, длительность которой определяется случайно сгенерированным числом, после чего они должны снова прослушать сеть и могут предпринять новую попытку передачи.

КАЧЕСТВО УСЛУГ ЧЕРЕЗ КООРДИНАЦИЮ ДОСТУПА В БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ

В отличие от сетей Ethernet беспроводные сети стандарта 802.11а/b не работают по принципу распознавания конфликтов. Эта функция не поддерживается компонентами. При радиопередаче используется множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA). При этом среда делится в соответствии с функцией распределенной координации (Distributed Coordination Function, DCF). Ожидающие очереди станции перед началом процесса передачи запускают случайный таймер обратного отсчета для предотвращения возможных конфликтов с другой станцией. Когда таймер останавливается, сеть вновь прослушивается, и, если среда свободна, начинается передача. Станция, не успевшая начать передачу, останавливает таймер и возобновляет обратный отсчет времени, когда среда освободится (см. Рисунок 2). Из-за постоянной конкуренции за доступ к среде этот способ далеко не идеальное средство обеспечения качества услуг.

Еще один, опциональный, метод, применяемый для согласования доступа, называется функцией централизованной координации (Point Coordination Function, PCF): центральный объект в сети (в большинстве случаев — точка доступа) распределяет свободную среду передачи между готовыми к отправке данных станциями, чтобы они беспрепятственно могли переслать пакеты. Для этого центральный координирующий объект должен опрашивать станции в сети относительно готовности к передаче (polling). Процесс опроса происходит в порядке очереди, станция за станцией, причем центральная станция соответствующим образом распределяет права на передачу.

Заметим, что при таком подходе достигаемая степень качества услуг в беспроводной локальной сети недостаточно высока. PCF используется вместе с обеспечивающим для него базу методом DCF; по сравнению с DCF он имеет более высокий приоритет и делает возможным бесконфликтный доступ к среде (Contention free Access).

В стандартах 802.11а/b определены оба метода доступа — DCF и PCF, но во всех предлагаемых на рынке продуктах реализован только DCF. Из всего выше сказанного можно сделать обобщающий вывод: названные методы координации доступа в беспроводных локальных сетях стандарта 802.11а/b гарантируют улучшенную производительность беспроводной сети, однако при весьма умеренном качестве услуг для высококритичных приложений.

ИНТЕГРАЦИЯ КАЧЕСТВА УСЛУГ В БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ 802.11А/В

Действенные подходы к интеграции качества услуг в беспроводные локальные сети стандарта 802.11а/b реализуются так или иначе через механизмы DCF или PCF. Например, на DCF базируется расширенная функция распределенной координации (Extended Distributed Coordination Function, EDCF), при этом происходят изменения в «окне конфликтов», под чем понимается момент времени непосредственно после окончания передачи пакета. В течение этого короткого временного окна станции в сети, пытающиеся отослать пакет, стремятся получить разрешение на отправку своих пакетов (см. комментарии к DCF). Право на передачу может получить только одна станция, поэтому она начинает обратный отсчет случайно сгенерированного временного промежутка для предотвращения возникновения конфликтных ситуаций (случайный обратный таймер). Расширенная DCF использует длину временного интервала для распределения приоритетов. Короткие интервалы означают более высокий приоритет, более длинные свидетельствуют о небольшом приоритете. Таким образом, станции с высоким приоритетом получают возможность переслать свои пакеты по сети раньше, чем станции с низким приоритетом.

Еще одним вариантом для интеграции качества услуг в беспроводные локальные сети стандартов 802.11а/b является расширение метода на базе PCF, так называемая функция гибридной координации (Hybrid Coordination Function, HCF). В случае HCF объектом, регулирующим поток данных, становится точка доступа. Этот «координатор трафика» применяет механизм опроса. Каждая станция в сети должна ответить на вызов опросного пакета точки доступа. В соответствующих ответных пакетах содержится не только ответ, с ним опрашиваемая станция отправляет одновременно стоящие в очереди пакеты. Предпосылкой для этой передачи данных служит инициированный точкой доступа процесс опроса. Если при опросе круговому методу предпочесть другой, приспособленный к усредненным требованиям качества услуг, то посредством HCF можно добиться обеспечения приоритетов в локальной беспроводной сети.

Еще один способ, основывающийся, как и метод HCF, на технике PCF, — распределенное мультиплексирование с разделением по времени (Distributed Time Division Multiplexing, DTDM). Он применяет опрос находящихся в сети станций для назначения им временных окон, как в случае традиционной мультиплексной передачи с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM). Пакеты могут отправляться в рамках этих временных окон. По окончании распределения станции передают стоящие в очереди данные в назначенные интервалы, без дополнительных опросов со стороны точки доступа.

МЕТОДЫ КАЧЕСТВА УСЛУГ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ РЕЧЕВЫХ ДАННЫХ

На данный момент для передачи речи в локальных беспроводных сетях стандарта 802.11a/b каждый производитель предлагает свои реализации качества услуг. Например, точки доступа производства компании Avaya поддерживают голосовой протокол Spectralink (Spectralink Voice Protocol) — протокол определения приоритета, разработанный Spectralink, с помощью которого возможно идентифицировать и пересылать в первую очередь поступающие голосовые пакеты. При этом между телефоном 802.11а/b (мобильным аппаратом) и находящимся в сети шлюзом организуется и помещается в пакеты IP сквозной протокол (End-to-End). Шлюз связывает мобильные телефоны 802.11а/b с имеющимся традиционным телефонным аппаратом (см. Рисунок 4).

ВЛИЯНИЕ СТАНДАРТОВ 802.11А/В НА КАЧЕСТВО УСЛУГ

Стандарты 802.11а и 802.11b различаются в отношении готовности, нагрузки и распределения частот, что влияет на качество передачи речи и данных. Так, 802.11b определяет, что радиопередача в полосе 2,4 ГГц осуществляется по 13 каналам шириной 22 МГц (при перекрывающемся порядке каналов от 2400 до 2483 МГц) (см. Рисунок 5). Однако в нелицензируемой частотной полосе «вещают» и другие устройства. Например, в ней работает оборудование с поддержкой технологии Bluetooth и микроволновые печи, наличие которых способно отрицательно воздействовать на функционирование беспроводной локальной сети.

Рисунок 5. Радиоканалы стандарта 802.11b.

Поскольку все 13 каналов упорядочены непоследовательно, многое при планировании крупной локальной беспроводной сети зависит от того, какому из них отдадут предпочтение. Если интервал между каналами в рамках комнаты выбран недостаточно большим, то сигналы одного канала будут восприниматься как помехи другим и тем самым снижать качество услуг (интерференция).

Скорость передачи данных в стандарте 802.11b определяют механизмы автоматического снижения: 11, 5,5, 2 и 1 Мбит/с. Это означает, что пропускная способность автоматически подстраивается в зависимости от уровня шумов, причем это делается незаметно и для пользователя, и для приложения. Так, при ухудшении сигнала скорость передачи данных автоматически снижается с 11 до 5,5 Мбит/с. Эффективная пропускная способность равна примерно 47% при 11 Мбит/с и 81% при 1 Мбит/с.

В отличие от стандарта 802.11b, устройства 802.11а работают в полосе 5 ГГц с теоретической скоростью передачи данных до 54 Мбит/с. Частотные каналы не перекрываются, как в случае стандарта 802.11b, а следуют друг за другом (от 5150 до 5350 и от 5470 до 5727 МГц). Тем самым влияние помех со стороны соседних каналов на сам канал передачи сводится к минимуму. В диапазоне 5 ГГц каналов больше, чем в полосе 2,4 ГГц. В Германии стандарт 802.11а разрешен к использованию с ноября 2002 г., а в Европе пока нет единых положений на использование этих частотных каналов.

Если говорить о скорости передачи, то в стандарте 802.11а она заметно выше, чем в 802.11b: 54, 48, 36, 24, 18, 12, 9 и 6 Мбит/с. Точно так же выглядит картина передачи одних лишь данных, здесь эффективность пропускной способности равна приблизительно 25% при 54 Мбит/с и 77% при 6 Мбит/с. В то же время высокие скорости в диапазоне 5 ГГц оборачиваются заметно меньшим радиусом действия. Для достижения максимально возможной скорости 54 Мбит/с инфраструктура беспроводной локальной сети должна включать множество дополнительных точек доступа. Сопоставление радиусов действия обоих стандартов показывает (см. Рисунок 6), что при сравнимой скорости передачи данных (12 против 11 или 6 против 5,5 Мбит/с) они практически равны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В стандартах 802.11a/b не определены реальные функции поддержки качества услуг. Прежде всего должен быть утвержден общепринятый подход к заданию приоритетов трафика для стандарта 802.11а и 802.11b. Актуальным сегодня приложениям (передача голосовых или видеоданных) не предоставляется выделенная пропускная способность, как в случае коммутируемого Ethernet.

Для реализации передачи голосовых данных по беспроводной локальной сети (Voice over Wireless LAN, VoWLAN) пользователи до сих пор вынуждены применять нестандартные решения, чтобы добиться необходимого качества услуг. Интегрированный механизм качества услуг для беспроводных сетей будет определен в стандарте IEEE 802.11е, однако ожидать утверждения этого стандарта можно не раньше середины 2003 г.

? AWi Verlag