Performance Analysis of the IEEE 802.11 Wireless LAN Standard

Performance Analysis of the IEEE 802.11 Wireless LAN Standard

Abstrak

IEEE 802.11 adalah standar yang relatif baru untuk komunikasi dalam LAN nirkabel. Kebutuhannya muncul dari banyak perbedaan di antara keduanya LAN kabel dan nirkabel tradisional dan meningkatnya kebutuhan interoperabilitas di antara vendor yang berbeda. Sampai saat ini, terperinci ukuran kinerja untuk protokol CSMA / CA ini tidak diketahui. Kita menggambarkan hasil Simulasi Peristiwa Diskrit dari Terdistribusi kami Fungsi Koordinasi (DCF) dalam sublapisan MAC. Kami memodelkan sebuah LAN ideal dan jelaskan kinerja kasus terbaik. Hasil kami menunjukkan hubungan antara opsi protokol dan sistem total hasil.

2. Pendahuluan

Selama beberapa tahun terakhir, kami telah menyaksikan penyebaran yang luas LAN Nirkabel di hampir setiap industri. Sampai saat ini, sudah ada tidak ada standar yang disepakati di mana stasiun nirkabel berkomunikasi. Kurangnya standarisasi ini biasanya menghasilkan penurunan interoperabilitas. Industri untuk Insinyur Listrik dan Elektronik (IEEE) telah bekerja dengan para pemimpin dari industri untuk mengembangkan standar untuk stasiun nirkabel dari vendor yang berbeda menyampaikan. Pada tahun 1997, IEEE akhirnya meratifikasi standar 802.11 mereka, spesifikasi Fisik dan MAC untuk LAN Nirkabel [IEE97]. Karena Ethernet tradisional telah ada selama beberapa waktu, banyak penelitian telah dilakukan mempelajari atribut-atributnya di bawah berbagai kondisi [BUX81, GON83, dan GON87]. Studi rinci tentang Carrier Sense Multiple Access dengan skema Deteksi Tabrakan yang digunakan di Indonesia Ethernet dapat ditemukan di [TOB80].

3. Pemodelan dan Simulasi

Dalam percobaan kami, tujuannya adalah untuk mengeksplorasi efisiensi MAC protokol dalam kondisi ideal. Sementara banyak dari kondisi ini mungkin tidak realistis, hasil akhirnya bermanfaat dalam memberi tahu kami yang tertinggi kinerja yang dapat diharapkan dari protokol. Bagian ini menjelaskan beberapa asumsi dan batasan yang diasumsikan dalam sistem. Juga, model simulasi dan variabel perhitungannya adalah dijelaskan.

Asumsi

Semua stasiun diasumsikan menggunakan Direct Sequence SpreadRadio Spectrum (DSSS). Pengoperasian  Frequency Hopping Spread Radio Spectrum (FHSS) dan Infra Merah (IR) memiliki dampak yang terlalu besar pada transmisi yang diberikan untuk mempelajari aspek-aspek protokol itu sendiri. Selain itu, diasumsikan bahwa tidak ada pertimbangan daya untuk baik radio atau stasiun nirkabel yang dapat mengganggu pengoperasian protokol. Aspek penting dari setiap protokol transmisi adalah cara penanganannya kesalahan transmisi. Untuk fokus pada protokol MAC inti, kami diasumsikan saluran bebas kesalahan. Selain itu, semua stasiun memiliki akses tidak terhalang ke semua stasiun lain dan dengan demikian dapat mendengar semuanya transmisi. Untuk meminimalkan kompleksitas, kami memilih untuk memodelkan LAN nirkabel kami sebagain jaringan ad-hoc, juga dikenal sebagai Set Layanan Dasar Independen (IBSS). Ini adalah jenis LAN nirkabel paling sederhana yang didefinisikan dalam standar. Tidak ada Access Point dan karenanya tidak ada dasi ke kabel LAN.

Deskripsi Model Simulasi

Untuk melakukan analisis ini, kami membuat simulasi kejadian-diskrit dari bagian MAC dari protokol IEEE 802.11. Deskripsi lengkap teknik simulasi dapat ditemukan di [BAN84]. Untuk semua percobaan, setiap stasiun diasumsikan memiliki satu Data Layanan MAC Buffer Unit (MSDU). MSDU adalah unit dasar yang dikirimkan dua sub-lapisan MAC yang kompatibel. Untuk keseragaman semua MSDU ditransmisikan memiliki ukuran yang sama. Awalnya, setiap stasiun diberi satu MSDU untuk mengirim. Setelah menyelesaikan upaya transmisi, MSDU lain ditugaskan untuk transmisi setelah beberapa waktu interarrival terdistribusi secara eksponensial. Dengan cara ini, mengubah waktu kedatangan antar rata-rata antara MSDU dapat digunakan untuk mengubah beban sistem.

 Komputasi Beban yang Ditawarkan Setelah mengirim pesan, stasiun menghasilkan pesan berikutnya dengan waktu antar kedatangan secara eksponensial didistribusikan dengan rata-rata θ. Selain itu, setiap stasiun mengirimkan paket ukuran yang sama, dalam byte P, selama durasi lari. Beban yang ditawarkan stasiun i, Gi, didefinisikan sebagai di [GON87] untuk menjadi keluaran dari stasiun i jika jaringan memiliki infinite kapasitas, mis.,

Gi = Tp / θ

4. Analisis Kinerja

Dalam analisis ini, kami melakukan empat percobaan yang mengukur berbagai variasi aspek protokol MAC. Masing-masing percobaan ini dilakukan pada beberapa kecepatan transmisi. 1 dan 2 Mbit / s dipilih karena mereka secara eksplisit didukung dalam spesifikasi. 10 Mbit / dtk dipilih untuk memberikan perbandingan pada kecepatan LAN tradisional. Itu hasil percobaan ini adalah topik bagian ini. Arus penelitian ditujukan untuk menyediakan operasi 802.11 pada 10 dan 20 Mbit / s.

Eksperimen 1: Beban Variabel

Dalam percobaan pertama kami, kami ingin melihat apa pengaruh beban total sistem dimainkan pada kinerja. Eksperimen ini mirip dengan satu ditemukan di [GON87]. Gambar 1 menunjukkan variasi total throughput dengan total muatan G yang ditawarkan untuk berbagai ukuran pesan P pada 1 Mbit / dtk. Di

percobaan ini, ambang fragmentasi telah ditetapkan ke 2346 byte dan ambang batas RTS telah diatur ke 3000 byte. Kita dapat melihat bahwa dengan beban yang ditawarkan sekitar 80% atau kurang, sebenarnya tidak tabrakan terjadi dan throughput dan beban kira-kira sama. Setelah beban sistem meningkat melebihi 90-100%, kami melihat dampaknya tabrakan. Seperti yang bisa diharapkan, throughput yang lebih besar dicapai melalui a ukuran paket lebih besar. Karena ada overhead dalam protokol, throughput yang dapat diterima tidak terlihat dengan ukuran paket di bawah 2000 byte.

Eksperimen 2: Stasiun Variabel

Dalam percobaan kedua kami, tujuan kami adalah menentukan berapa banyak stasiun akan membebani jaringan nirkabel. Tentu saja kinerjanya karakteristik untuk 10 stasiun akan berbeda dari 20 stasiun, semua bersaing untuk akses ke medium. Gambar 2 menunjukkan efek pada throughput dengan peningkatan jumlah stasiun dan konstanta Ditawarkan Beban 100%.Hasil ditampilkan baik dengan dan tanpa mekanisme RTS diimplementasikan. Untuk semua proses, ukuran pesan diatur ke 3000 byte dan ambang fragmentasi ditetapkan ke 2346 byte. Tanpa RTS diaktifkan, kita dapat melihat bahwa throughput maksimum tercapai kira-kira. 82% dengan 16 stasiun yang berpartisipasi. Bahkan, dengan beberapa stasiun (di bawah 16), kita melihat bahwa tidak ada banyak perbedaan kinerja dengan dan tanpa RTS diaktifkan.

Ketika lebih banyak stasiun ditambahkan ke simulasi, probabilitas dua atau lebih lebih banyak stasiun akan menghitung jendela backoff yang sama meningkat. Dengan demikian, peluang tabrakan meningkat. Ini bisa dilihat secara luas perbedaan antara RTS dan No-RTS berjalan dengan stasiun yang lebih tinggi

Hitungan, di atas 64.

Karena IEEE 802.11 menggunakan CSMA / CA, tabrakan itu mahal. Itu stasiun pemancar harus terus mengirimkan seluruh pesan dan tunggu waktu minimum sebelum menentukan bahwa transmisi salah. Dengan RTS diaktifkan, tabrakan terjadi pada bingkai RTS yang lebih kecil, memungkinkan waktu putaran yang lebih cepat. Kita dapat lihat bahwa dengan RTS diaktifkan, sistem stabil ke sekitar. 92% atau lebih tinggi dengan 128 atau lebih stasiun. Seperti pada percobaan sebelumnya, kami melihat hasil yang serupa di 2 dan 10 kami Eksperimen Mbit / s. Karena kecepatan medium meningkat ada masih pola yang sama antara hasil RTS dan No RTS. Kita bisa melihat bahwa kecepatan transmisi yang lebih tinggi menghasilkan throughput rata-rata yang lebih rendah hasil. Tabel II merangkum beberapa hasil dari ini percobaan dengan dan tanpa RTS diaktifkan.

Eksperimen 3: Fragmentasi Variabel

Dalam percobaan ketiga kami, tujuan kami adalah untuk menentukan apa efeknya ukuran fragmen dimainkan pada kinerja sistem. Simulasi dijalankan dengan 32 stasiun dengan beban 200% dengan ambang batas fragmentasi yang bervariasi. Setiap pesan yang dikirim memiliki panjang 3000 byte. Karena itu, fragmentasi ambang batas hanya menentukan berapa banyak fragmen 3000 byte pesan dipecah menjadi. Secara intuitif, keuntungan dapat diperoleh dengan meningkatkan dan mengurangi ambang fragmentasi. Ambang batas yang lebih kecil membatasi kehilangan kinerja karena transmisi ulang tetapi datang dengan peningkatan di atas kepala. Ini penting karena protokol 802.11 telah overhead yang cukup besar [IEE97]. Di sisi lain besar ambang fragmentasi, sementara membatasi overhead, menjadi mahal jika terjadi tabrakan.

Eksperimen 4: Keterlambatan Propagasi Variabel

Dalam percobaan kami sebelumnya, kami mengasumsikan penundaan konstan 1 μsantar stasiun. Ini memungkinkan kami untuk mengukur kinerja protocol tanpa menghormati interoperabilitas dalam situasi kehidupan nyata. Di kami Percobaan keempat, tujuan kami adalah untuk menentukan seberapa jauh stasiun bisa terpisah dari satu sama lain, dalam hal keterlambatan propagasi, sebelum system throughput menurun. Dalam jaringan nirkabel dunia nyata, beberapa stasiun mungkin terus bergerak sementara yang lain diam untuk periode waktu.

Dalam percobaan ini, kami menetapkan ambang fragmentasi ke 2346 byte dan ukuran pesan hingga 3000 byte. Sistem ini dijalankan pada 100% Beban yang Ditawarkan. Gambar 4 menunjukkan hasil peningkatan propagasi penundaan antara dua stasiun nirkabel yang beroperasi pada 1 Mbit / s. Kita bisa melihat itu, dengan ambang fragmentasi saat ini dan 50 μs IFS, throughput turun ketika penundaan propagasi antar stasiun melebihi 50 μs.

Ketika sebuah stasiun mentransmisikan pesan, ia hanya menunggu jumlah terbatas waktu untuk respon. Jika tanggapan ini tidak tiba pada waktunya, itu akan terjadi kirim ulang pesannya. Penghitung waktu ini dimulai segera setelah pengirim selesai mengirimkan pesan. Jika penerima cukup jauh jauh dari pengirim, sebagian besar waktu ini diambil oleh penundaan dua kali antar stasiun, satu kali untuk pesan untuk mencapai penerima dan satu kali untuk respon sampai di sumber.

5. Kesimpulan

Meskipun percobaan yang dijelaskan dalam makalah ini tidak mencerminkan skenario nyata, mereka berguna dalam menentukan sistem maksimum kinerja dalam berbagai kondisi. Tujuan kami adalah melihat apa kinerja maksimal yang dapat kita harapkan dari protocol dan apa yang diperlukan untuk mencapainya. Kami melihat dari percobaan kami bahwa kecepatan Ethernet dimungkinkan tetapi hanya dengan mekanisme RTS yang dibangun ke dalam protokol MAC 802.11.

Mekanisme ini, sambil menambahkan beberapa overhead, menawarkan banyak hal peningkatan pada sebagian besar sistem yang sarat muatan. Kami menemukan bahwa kinerja terbaik hanya dapat dicapai dalam system dengan kecepatan transmisi yang relatif lambat. Kecepatan transmisi dan throughput berbanding terbalik. Ini disebabkan oleh konstanta penundaan dan timer yang digunakan dalam protokol, yang tidak diubah sebagai kecepatan transmisi meningkat. Pekerjaan masa depan Saat ini penelitian kami tidak memperhitungkan transmisi kesalahan yang melekat pada semua bentuk komunikasi. Satu area penelitian akan memasukkan bit-error rate ke dalam simulasi, berdasarkan pada perangkat transmisi, dan lihat bagaimana sistemnya kinerja terpengaruh. Sistem kami tidak mengizinkan subset stasiun untuk disembunyikan dari lainnya. Kami berasumsi bahwa semua stasiun dapat mendengar semua transmisi dari semua lainnya. Dengan media ini, stasiun dapat terhalang dari yang lain stasiun dalam jaringan. Ini akan mencegah mereka membaca semuanya nilai-nilai Network Allocation Vector (NAV) yang dikirimkan. Penelitian di masa depan dapat mempertimbangkan hal ini.

Referensi

[BAN84] Banks, J. dan J. S. Carson, “Sistem Acara Diskrit Simulasi, ”Prentice-Hall, Englewood, NJ, 1984.

[BUX81] W. Bux, "Subnetwork area lokal: Performa perbandingan, "IEEE Trans. Commun., vol COM-29,    hlm. 1465-1473, 1981.

[GON83] T. A. Gonsalves, "Karakteristik kinerja 2 Ethernets: Sebuah studi eksperimental, "ACM SIGCOMM

Symp. Di Komunal. Arsitektur dan Protokol, Austin, TX, Maret 1983, hlm. 178-185.

[GON87] T. A. Gonsalves, "Kinerja Yang Terukur dari Ethernet, "dalam Kemajuan dalam Jaringan Area Lokal, Kummerle, K., Tobagi, F., dan Limb, J.O. (Eds.), Baru York: IEEE Press, 1987.

[IEE97] IEEE Std 802.11-1997, “Standar IEEE untuk Lokal dan Jaringan Area Metropolitan: Medium LAN Nirkabel Kontrol Akses (MAC) dan Lapisan Fisik (PHY) Spesifikasi."

[TOB80] F. A. Tobagi dan V. B. Hunt, "Analisis kinerja PT beberapa operator merasakan akses dengan deteksi tabrakan, " Komputasi. Jaringan, vol. 4, Okt./Nov. 1980