Оценка эффективности алгоритма Arq при передаче потоковых данных в WLAN

Оценка эффективности алгоритма ARQ при передаче потоковых данных в WLAN

Ключевые слова: беспроводные локальные сети, вероятность потерь пакетов, загрузка канала, коррекция потерь пакетов, коэффициент потерь пактов, потоковые данные, пропускная способность, ARQ

В настоящее время большую популярность имеют мультимедийные услуги, основанные на передаче потоковых данных такие как прослушивание музыки, просмотр видео, передача речевой информации, сетевые игры и другие приложения, работающие в реальном времени. При передаче и получении данных вследствие различных помех и искажении часть данных может теряться. Предоставление услуг в режиме реального времени требует высокого качества передачи (Согласно МСЭ У.1541 коэффициент потерь пакетов для потокового видео не должен превышать 10-3), поэтому при передаче данных необходимо использовать все возможные механизмы повышения качества обслуживания.

Павлова М.М.,

аспирант, Ижевский государственный технический университет (ИжПУ), mariya.m.pavlova@mail.ru

Абилов А.В.,

кт.н., доцент, Ижевский государственный технический

университет {ИжПУ),

albert.abilov@mail.iv

Введение

При передаче потоковых видеоданных по беспроводным локальным сетям (WLAN) стандарта IEEE 802.11, возникает множество проблем, связанных с поддержанием постоянной пропускной способности канала и возможностью потерь и искажения данных [1]. Для решения этих проблем и повышения надежности беспроводного соединения, часто используется метод прямой коррекции потерь пакетов (Forward Error Correction — FEC) и метод основанный на ретрансляции постоянную пропускную способность и минимизировать задержки. Тем не менее, данный алгоритм вызывает излишнюю нагрузку и снижает максимально возможную пропускную способность канала, который, в свою

очередь, находится в хорошем состоянии. С другой стороны алгоритм АЯО не может обеспечить стабильный уровень задержки, т.к. потерянные пакеты передаются повторно, что вызывает задержки передачи информации. Величина задержки будет варьироваться, особенно когда качество канала изменяется. В статье представлены результаты исследования корректирую-

щей способности алгоритма ARQ на прикладном уровне модели OS1 при переменной и постоянной вероятности потерь пакетов.

1. Выбор алгоритма для сети WLAN

Сеть, для которой рассматриваются алгоритмы, использует концепцию "Сервер-Клиент ”

А (К} механизм, то есть механизм нерезапроса потерянного пакета у сервера, в чистом виде применим лишь в малых и средних сетях, так как такие переза-просы дополнительно нагружают сервер. В исследовании рассматривается ситуация передачи данных от сервера к одному клиенту.

2. Оценка эффективности алгоритма А1*(2

Для того чтобы оценить характеристики механизма А ГК} при передаче потоковых данных были проведены исследования на основе имитационного моделирования. Моделирование было произведено для двух различных вариантов алгоритма в программной среде МАТЬАВ. Во-первых, был смоделирован и исследован алгоритм АЯС> с фиксированным числом разрешенных переза-просов и постоянной вероятностью потерь пакетов Рп. Во-вторых, алгоритм А11<3 так же с фиксированным числом разрешенных перезапросов, но при синусоидально изменяющейся заданной в определенных пределах вероятности потерь пакетов.

Для имитационного моделирования передачи потоковых данных в беспроводной сети с использованием

метода ARQ прикладного уровня используются следующие исходные параметры: размер одного пакета -1000 байт; потоковая скорость передачи информации -4 Мбит/с; размер фиксированного блока потоковых данных (я) - 10 пакетов в блоке; общее число передаваемых пакетов (т) - I ООО. Пакеты с запросом повторной передачи посылаются только в случае ошибочной передачи данных. Задержка доставки пакетов с запросом составляет 0,01 секунд. Допустимое количество запросов повторной передачи (В) может изменяться от 0 до 5.

В основе алгоритмов ARQ [3, 4], лежит следующий сценарий действий: текущая вероятность потерь для каждого пакета имитируется определенной переменной, которая выбирается как случайное число от 0 до

1. Далее эта вероятность сравнивается с заданной возможной вероятностью Р\\. Если текущая вероятность превышает возможную вероятность Р\\, это означает, что пакет принят неверно, в ином случае, верно.

После передачи блока информации, подсчитывается количество правильно принятых пакетов. Если все пакеты в блоке приняты верно, то программа переходит к передаче следующего блока. Если же какое-то количество пакетов принято с ошибкой или не принято вообще, то запускается цикл, который отвечает за переза-просы потерянных пакетов. При повторном приеме потерянного пакета, так же учитывается вероятность потерь перезапроса Рпп В данных исследованиях вероятность потерь при перезапросе равна заданной вероятности потерь пакетов Рпп Рп. Цикл перезапросов выполняется до тех пор, пока их количество не превысит установленное максимально возможное значение. После безошибочного получения всех пакетов в блоке, либо после истечения всех возможных перезапросов, программа возвращается к началу и выполняется до тех пор, пока не будег передана вся заданная выборка т.

Коэффициент потерь пакетов (Packet Loss Ratio -PLR) определяется по формуле 1 [4, 5].

/>/.* = /-* (1) т

где к - общее количество правильно принятых пакетов; т - число всех переданных пакетов.

Моделирование производится для всего диапазона вероятностей потерь пакетов Рп от 0 до 1 шагом в 0.01. На рис. 3 представлены графики, показывающие изменения коэффициента потерь пакетов PLR в зависимости от заданной вероятности потерь пакетов Рц для разного числа возможных перезапросов В (от 1 до 5). Проанализировав полученные результаты, можно сформулировать для разработанного алгоритма коррекции потерь пакетов ARQ следующие утверждения: при увеличении вероятности потерь пакетов Рп увеличивается также и коэффициент потерь пакетов PLR\ при увеличении количества разрешенных перезапросов В, коэффициент потерь пакетов PLR уменьшается.

На рис. 4 наглядно демонстрируется относительный выигрыш от использования метода ARQ на прикладном уровне при различных значениях В. В качестве сравнительной оценки используем показатель выигрыша, который определяется следующим образом:

где PLRARQ - измеренный коэффициент потерь пакетов при использовании ARQ.

Рис. 3. Зависимость PLR от Рц при разных значениях В

Рис. 4. Зависимость относительного выигрыша К0 от Рц при разных значениях В

Рис. 5. Зависимость абсолютного выигрыша Ка огРц при разных значениях В

= />/,/?

где PLR\\^Q - измеренный коэффициент потерь пакетов при использовании ARQ.

Из рис. 5 видно, что наибольший абсолютный выигрыш достигается при вероятности потерь пакетов Р» =0,5 и разрешенном количестве перезапросов 5=5, он равен PLR - = 0,39. При меньших значениях раз-

решенного количества перезапросов В абсолютный выигрыш меньше и его пик наблюдается на меньших значениях вероятности потерь пакетов Р\\.

Выше рассмотрен случай, когда вероятность потерь пакетов фиксирована во времени. Но в реальной жизни вероятность потерь пакетов формируется многими внешними факторами и не может сохранять постоянное значение на протяжении всего времени передачи ин-

формации. Вследствие этого, мы рассматриваем случай, когда вероятность потерь пакетов меняет свое значение с течением времени.

Поскольку такая величина, как вероятность потерь пакетов может принимать только положительные значения, то для задания закона, по которому изменяется вероятность, будет использована следующая формула: р =

Для моделирования данной ситуации необходимо ввести дополнительные переменные: Р,шх = 0,5 - амплитуда синусоиды (максимальное значение, которое может принимать вероятность потерь пакетов); / = 250 -время, с.

Рис. 6. Зависимость Р1.Я от Рп изменяющейся по синусондальному закону для различных значений В. ПРИ Ртах = 0,5

Результаты имитационного моделирования канала беспроводной сети передачи потоковых данных при применении алгоритма АЯС> с переменной вероятностью потерь пакетов представлены на рис. 6. При увеличении вероятности потерь пакетов Ри коэффициент потерь пакетов Р/./? увеличивается, но при увеличении разрешенного количества перезапросов В, соответственно, уменьшается. При использовании перезапросов появляется задержка, т.к. тратится время на передачу сообщений обратной связи и повторную передачу информационных пакетов.

Таким образом, алгоритм коррекции потерь пакетов А Яр на прикладном уровне при максимальной вероятности потерь пакетов Р = 0,5 характеризуется показателями, сведенными в табл. I.

Таблица 1

Характеристики алгоритма при Ртах~ 0,5

В= 1 В=2 В=3 В=4 В=5

Р1ЛР 0,17 0,11 0,08 0,05 0,03

Р1'Ктя\ 0,38 0,28 0,21 0.15 0,12

1,25 1,26 1.27 1.28 1,29

Таблица 2

Характеристики алгоритма АШ} при Р„ых = 0,2

В=3 В=4 В=5

Р1Лср 0.003 0.001 0.0004

Р1-К,„^ 0.01 0,004 0,0011

1.27 1.28 1,29

Предоставление услуг в режиме реального времени требует высокого качества передачи (Согласно МСЭ У. 1541 коэффициент потерь пакетов для потокового видео не должен превышать 10'3). Из представленных данных видно, что средние значения коэффициента потерь пакетов РЫ^ср, характерные для данного алгоритма АЯС}, превышают рекомендованное значение. Следовательно, алгоритм АКР хорошо проявляет себя только при низких значениях вероятности потерь пакетов, что проиллюстрировано на рис. 7, где РП принимает значения от 0 до 0,2. Характеристически качества представлены в табл. 2.

!.сек

Рис. 7. Зависимость Р/./? от Р„ изменяющейся

по синусоидальному закону для различных значений В,

ПРИ Рли* = 0,1

Таким образом, можно сделать вывод, что только при количестве перезапросов В > 4, значения коэффициента потерь пакетов удовлетворяют заданным требованиям и РЬ/?ср 10"3, т.е. алгоритм АЯС) справляется с поставленной задачей.

Используя средние значения коэффициента потерь пакетов, можно посчитать относительный вышрыш для различных значений разрешенного количества перезапросов В, что представлено в табл. 3. Выигрыш показывает, во сколько раз коэффициент потерь пакетов без использования алгоритма АЯС? превышает коэффициент потерь пакетов с использованием перезапросов при Р\\ = 0,5 и Рц= 0,2.

Таблица 3

Относительный средний выигрыш при нсполмованин А КО

Разрешенное количество перезапросов Коэффициент потерь пакетов при использовании А1*д Коэффициент потерь пакетов без использования АКС) Р1.Я^ Относи- тельный вышрыш РШ^РШ,, р

При Рп =0,5

В= 1 0,17 1,6

«=2 0,11 2,5

В=3 0,08 0.276 3.5

/?=4 0,05 5,5

В=5 0,03 9

При Л =0.2

В=3 0,003 37

В=4 0,001 0,111 III

В=5 0,0004 277

Таким образом, наибольший выигрыш достигается при Ри = 0,2 и количестве перезапросов В = 5 и составляет /.оср/Х/ср = 277, т.е. коэффициент потерь пакетов при использовании ARQ уменьшается в 277 раз.

Также немаловажную роль при разработке алгоритма играет такой параметр, как коэффициент загрузки канала, т.к. при большом количестве возможных перезапросов коэффициент потерь пакетов снижается, но в канале появляются задержки, связанные с повторной передачей пакетов. Этот коэффициент отражает, во сколько раз больше пакетов передается по каналу при использовании механизма ARQ относительно количества пакетов, которое передается без использования перезапросов. График, отражающий коэффициент загрузки канала связи при различных значениях В, представлен на рис. 8.

Из графика видно, что величина коэффициента загрузки канала зависит от значения вероятности потерь пакетов Ри и является динамичной величиной при изменении этого параметра. Коэффициент загрузки канала в данном случае, так же зависит от значения разрешенных перезапросов - чем выше В, тем больше загружен канал.

О 10 20 30 40 50 60 70 80 60 100

Вероятность потерь сшетов Ч

Рис. 8. Коэффициент загрузки канала связи

при использовании алгоритма АЯ<3 прикладного уровня

При увеличении разрешенного количества перезапросов коэффициент загрузки канала увеличивает свое значение, т.к. перезапросы занимают канал связи (при передаче одного пакета один повторный запрос увеличивает загрузку канала в 2 раза). При увеличении вероятности потерь пакетов коэффициент загрузки канала связи также увеличивается, т.к. количество потерянных пакетов растет, и, следовательно, требуется все больше перезапросов для получения всех пакетов, что приводит к росту загрузки канала.

При вероятности потерь пакетов, не превышающей 0,2, коэффициент загрузки канала связи выше значения без применения АЯС? (коэффициент загрузки равен 1), но практически одинаков для любого разрешенного количества перезапросов, т.к. теряется малое количество пакетов и достаточно всего одного перезапроса для их восстановления. При дальнейшем увеличении вероятности потерь пакетов коэффициент загрузки канала продолжает увеличиваться, причем при большем количестве перезапросов коэффициент загрузки также принимает большие значения. Таким образом, при вероятности потерь пакетов в канале 100%, коэффициент загрузки достигает максимальных значений,

значение которого представлено в таблице 4, для всех значений В.

Без использования алгоритма АИО (В = 0) коэффициент загрузки канала связи равен I, причем это значение он сохраняет при всех значениях вероятности потерь пакетов. Если теряются все пакеты (вероятность потерь пакетов равна 100 %) и количество разрешенных перезапросов В = 5, то загрузка канала увеличивается в 6 раз по сравнению с загрузкой без использования А11(5.

Таблица 4 Коэффициент загрузки канала связи

5=0 5=1 5=2 5=3 5=4 5=5

7 ^ср 1 1,25 1,26 1,27 1,28 1,29

М.1\ 1 2 3 4 5 6

Заключение

На основе проведенных исследований можно сделать вывод, что метод АЯ(3 проявляет исправляющую способность передачи потоковых данных по беспроводным каналам связи во всем диапазоне вероятности потерь пакетов. Увеличение вероятности потерь пакетов Рп влечет за собой соответственное возрастание среднего и максимального коэффициента потерь пакетов РШ. Максимальная эффективность коррекции потерь пакетов при постоянной вероятности потерь пакетов достигается при значении Рп в пределах от 0,4 до 0,6. Но даже при максимальном значении разрешенных перезапросов РШср > 0,03, что указывает на неэффективность его применения. Наибольший интерес представляют значения полученные при переменной вероятности потерь, с условием Р\\ < 0,2. При амплитуде Р\пах ~ 0,2 алгоритм справляется со своими обязанностями и становится полезным при В > 4 (при этом средний коэффициент потерь пакетов РШ^р < 0,001).

При увеличении разрешенного количества перезапросов В коэффициент потерь пакетов Р/?/. уменьшается, но возрастает коэффициент загрузки канала связи, т. к. сообщения обратной связи и повторно переданные пакеты загружают канал. Коэффициент загрузки канала 2, также возрастает с увеличением вероятности потерь пакетов и достигает 2 = 6 при количестве перезапросов В = 5 и вероятности потерь пакетов Р\\ = 100%. Следовательно, с увеличением разрешенного количества перезапросов возрастает задержка передачи данных.

Значение Р\\ в реальных системах беспроводной связи не является постоянной величиной и зависит от многих факторов, в том числе от расположения приемника по отношению к передатчику. Следовательно, для увеличения качества передачи потокового видео можно применить адаптивный А1<(3, при котором в зависимости от показателя Р/.В, количество запросов повторной передачи пакетов будет меняться.

JIiiTcpaTjpa

1. Zorzi M., Rao R.R., Milstcin L.B. "ARQ error control on fading mobile radio channels:’ IEEE Trans. Veh. Tech.. Vol. 46, Pp.445-455, May 1997.

2. Rhee, Joshi S. R. "Error Recovery for Interactive Video Trasnsmission over the Internet" IEEE Journal on Selectied Areas in Communications, Vol. 18, No.6, June 2000.

3. Chia-Hui Wang, Rav-I Chang, Jan-Ming Ho, and Shun-Chin Hsu. "Rate-Sensitive ARQ For Real-Time Video Streaming”, GLOBECOM, Pp.3361-3365, 2003.

4. Павлова M.M., Абилов А.В., Чунаев А.В., Емельянов В.Н. Эффективность алгоритма ARQ прикладного уровня для передачи потоковых данных в сетях WLAN // Сборник трудов научно-технической конференции “Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке”. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. -С.233-238.

5. Абилов А.В, Емельянов В.Н., Павлова М.М. Адаптивный алгоритм коррекции потерь пакетов в одноранговых сетях передачи потоковых данных // Сборник трудов научнотехнической конференции "Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке”. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. - С.222-228.

EFFECTIVENESS VALUATION OF ARQ ALGORITHM FOR DATA STREAMING IN WlAN

Pavlova M.M., mariya.m.pavlova@mail.ru, Abilov A.V., albert.abilov@mail.ru.

Abstract: At the present the multimedia services based on streaming data, such as listening to music, watching video, voice data transfer, network games and other applications running in real time, are very popular. When sending or receiving data due to various noise and distortion the data may be lost. Provision of services in real-time mode requires a high quality of transmission (According to ITU Y1541 packet loss rate for streaming video should not exceed 10-3), therefore for data transfer it is necessary to use all possible mechanisms to improve the quality of service.

Keywords: Wireless Local Area Network, Packet Loss Probability, Robustness, Packet Loss Ratio, Rate streams, Capacity, ARQ.