РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЕМКОСТИ СЕТИ СТАНДАРТА IEEE 802.11 AX

В реалиях данной работы определены условия моделирования и выбрана модель распространения радиоволн. Проведено моделирование позиционирования для двигающихся и неподвижных объектов. Результаты, полученные с использованием фильтра Калмана, дали данные в 6,8 раз выше по сравнению с необработанными данными по точности позиционирования. Моделирование движущегося объекта показало, что точность резко падает при резких изменениях траектории, но с ростом коэффициента фильтрации можно уменьшить этот эффект.

Резюмируя вышеописанное можно сделать вывод, что использование технологии Wi-Fi для позиционирования является крайне привлекательной технологией, но полученные результаты требуют значительной обработки. В качестве направления для дальнейшего исследования необходимо провести анализ актуальности других фильтрующих схем.

Литература

1. Радайкина, С. А. Изучение алгоритмов локального позиционирования в пространстве, используя Wi-Fi и LBS данные сотовых операторов // Молодой ученый, 2016. - № 14 (118). - С. 89-92. URL: https://moluch.ru/archive/118/32574/ (дата обращения: 09.07.2020).

2. 802.11n-2009. IEEE Standard for Information technology - Local and metropolitan area networks - Specific requirements.

3. Бабаев Н.В., Симонина О.А. Методика модернизации системы транкинговой связи стандарта TETRA // Труды учебных заведений связи, 2018. - Т. 4. - № 2. - С. 36-43.

4. Коэффициенты затухания сигнала Wi-Fi при прохождении через различные среды, https://help.keenetic.com/hc/ru/articles/213968869, 27.04.2020.

5. ITU-R R. P. 1238-7, // Propagation data and prediction methods for the planning of indoor radio communication systems and radio local area networks in the frequency range, 2012. - Т. 900.

6. Kalman, R.E. (1960). «A new approach to linear filtering and prediction problems». Journal of Basic Engineering 82 (1): - pp. 35-45.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЕМКОСТИ СЕТИ СТАНДАРТА IEEE 802.11 AX

А.А. Прасолов, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, prasolov.alex@gmail.com; Н.В. Бабаев, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, n.babaev2016@yandex.ru.

УДК 621.391_

Аннотация. В рамках данной статьи продемонстрировано исследование, главной задачей которого является разработка методики расчета емкости сети для нового стандарта IEEE 802.11 aх. В первой части статьи описана существующая методика и показаны недостатки данных методик при расчете емкости стандарта 802.11 ах. Исходя из отсутствия действующей методики для нового стандарта было принято решение разработать новую методику расчета на базе существующей формулы Джузеппе Бианачи с внесенными в нее изменениями, касающимися

24

физических и канальных нюансов передачи сообщения, из чего была выведена совершенно новая методика. Для апробации разработанной методики была использована среда Matlab, в ходе чего были получены соответствющие зависимости влияния пропускной способности от основных параметров точек доступа.

Ключевые слова: IEEE 802.11; Matlab; методика расчета; коллизии; пропускная способность.

DEVELOPMENT OF A METHODOLOGY FOR CALCULATING NETWORK CAPACITY OF THE IEEE 802.11 AX STANDARD

A.A. Prasolov, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich;

N. V. Babaev, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich.

Annotation. Within the framework of this article, a study aimed to develop a methodology for calculating network capacity for the new IEEE 802.11 ax standard was demonstrated. In the first part of the article, the existing methodology is described and the disadvantages of these methodologies are shown when calculating the capacity of the 802.11 ax standard. Based on the lack of a current methodology for the new standard, it was decided to develop a new calculation methodology based on the existing formula of Giuseppe Bianachi, with changes made to it regarding the physical and channel nuances of message transmission, from which a completely new methodology was derived. The Matlab environment was used to test the developed methodology, during which the corresponding dependences of the effect of bandwidth from the main parameters of access points were obtained.

Keywords: IEEE 802.11; Matlab; calculation methodology; collisions; bandwidth.

Введение

Развитие стандартов сетей IEEE 802.11 Wi-Fi показывает значительное увеличение номинальных скоростей передачи данных: от «устаревших» 2 Мбит/с IEEE 802.11 до 600 Мбит/с стандарта 802.11n и гигабитных скоростей последней версии 802.11 ac. Эти скорости Wi-Fi были достигнуты с помощью более быстрых схем модуляции и кодирования, более широких каналов и применения технологий MIMO (Multiple Input Multiple Output). К сожалению, анализ последних сетей 802.11 ac показывает, что дальнейшее увеличение пропускной способности Wi-Fi в унаследованном спектре требует новых подходов к доступу к каналу, а не просто к расширению полосы или увеличению количества пространственных потоков. Кроме того, хотя номинальная скорость передачи данных является ключевым преимуществом, она не полностью отражает производительность развертывания Wi-Fi [1]. Фактически на работу дополнительно влияют схемы помех и частотно-избирательное затухание, а также неэффективность доступа к среде и сценарии конфигурации сети, а пропускная способность может даже не быть основным требованием для нескольких приложений и служб.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что требуется методика, которая могла бы наиболее полно учитывать особенности доступа к среде сети Wi-Fi, что говорит об актуальности настоящей работы. Цель данной исследовательской работы заключается в разработке методики расчета емкости

25

сети для нового стандарта IEEE 802.11 ax. Данное исследование можно разделить на следующие этапы: описание существующих методик расчета емкостей для стандартов 802.11; описание характеристик и особенностей стандарта 802.11 ax; описание методики расчета емкости сети стандарта 802.11 ax; апробирование методики посредством моделирования в САПР.

Описание существующих методик расчета емкостей сетей Wi-Fi

Для начала требуется собрать сведения о пользовательских устройствах. Если заранее невозможно предсказать какой тип устройств будет преобладающим, то для расчета используются усредненные сведения. Наиболее важными характеристиками абонентских станций являются:

• Поддерживаемая технология (802.ng/«/ac/ax).

• Поддерживаемый диапазон (2,4 ГГц / 5ГГц).

• Ширина канала.

• Конфигурация MIMO (1 x 1:1, 2 x 2:2, 3 x 3:3).

• Мощность RX.

При расчёте предельного числа пользователей по первой методике определяющим фактором является полоса пропускания точки доступа (ТД) в расчете на клиента (удельной пропускной способностью), которая соответствует целевой пропускной способности при развертывании сети. В некоторых случаях вендеры устанавливают формальные правила на количество одновременных соединений, чтобы упросить процесс планирования и эксплуатации сети. Однако такой подход неприменим при развертывании высоконагруженных сетей, поскольку потребуется большее количество ТД и проект становится экономически труднореализуемым. Кроме того, большое количество приемопередающих устройств показывает влияние на общий интерференционный фон.

При втором подходе к расчёту емкости сети формируется общий перечень приложений, с которыми будет проводиться работа абонентских станций, а также составляются сценарии, если предполагается, что пользователи будут использовать несколько приложений. То есть, при данном подходе учитываются не только характеристики оборудования при расчете емкости сети, а также тип используемого трафика (потоковое видео, загрузка файлов, ВКС и т.д.). Также предусматриваются сценарии расчета при одновременном использовании различных типов трафика. Данные методики не подходят для расчета емкости сети стандарта IEEE 802.11 ax, поскольку не учитывают особенностей стандарта и уровня доступа к каналу, что будет показано ниже при описании стандарта.

Произведем сравнение основных характеристик стандартов, существующих 802.11, для которых подходят описанные выше методики с новым стандартом связи 802.11 ax. Результаты сравнительного анализа вынесем в табл. 1 [2, 3].

Таблица 1 .

Параметры 802.11« 802.11 ac 802.11 ax

Ширина канала, МГц 20/40 20/40/80/160 20/40/80/160

Диапазон частот, ГГЦ 2,4 / 5 5 2,4 / 5

Модуляция BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM BPSK, QPSK, 16- QAM, 64-QAM, 256-QAM 1024-QAM

Параметры 802.11« 802.11 ac 802.11 ax

Технология

передачи OFDM OFDM OFDM, OFDMA

данных

Максимальное

количество 128 512 2048

поднесущих OFDM

Разнесение

несущих, 312.5 312.5 78.125

кГц

Максимальное

число До 4 До 8 До 8

S^-потоков

Максимальное

число - До 4 До 8

MU-потоков

Пиковая физическая

скорость, Гбит/с до 0,6 6,9 9,6

С одной стороны, большинство основных параметров изменилось весьма незначительно, однако стандарт 802.11 ах позволяет достигать скоростей передачи данных до 9,6 Гб/с. Основными нововведениями являются расширение числа подснесущих в четыре раза, а также увеличение разрядности модуляции до 1024-QAM. Главным вопросом остается, что позволило достигнуть подобной скорости? И почему для расчета емкости необходима разработка новой методики расчета? Основным стимулом для этого стало изменение разнесения поднесущих, что позволило OFDMA использовать небольшие подканалы. С учетом уменьшения разнесения поднесущих можно выделять меньший процент от общей ширины полосы, выделяемой под пилотную составляющую сигнала. Это приводит также к тому, что количество защитных и нулевых составляющих по каналу может быть уменьшено, как процент от количества используемых поднесущих, что также увеличивает эффективную скорость передачи в канале.

Вторым существенным отличием от предыдущих версий стандарта является использование многостанционного доступа с ортогональным разделением каналов (OFDMA), используемого в сетях мобильной связи LTE. Использование OFDMA позволяет точке доступа связывать вместе несколько кадров в разных подканалах в одной передачи, а также использовать агрегацию частот. Агрегация частот позволит использовать частотный ресурс максимально «грамотно», а имея ввиду уменьшенное разнесение частот и увеличение числа каналов, это позволит выделить пользователям в сумме большую полосу, чем в ранних стандартах Wi-Fi. То есть, потенциальный расчет емкостей связи будет напрямую зависеть от количества пользователей, подключенных к сети. Данные особенности не учитываются в предыдущих методиках расчета емкости.

Методика проведения расчета сети стандарта IEEE 802.11 ax

Джузеппе Бианачи была предложена простая, но достаточно точная аналитическая модель для вычисления пропускной способности в зависимости от числа подключенных устройств [4].

Предполагалось, что передача ведется в идеальном канале, скрытые узлы

отсутствуют. При анализе использовалось условие насыщения сети. Единицей временной шкалы работы сети является виртуальный слот. Виртуальный слот может быть либо «пустым» (ни одна из станций не передает и канал свободен), либо «успешным» (слот, в котором происходит передача пакетов одной из станций), либо «коллизионным» (передают две или более станции). В начале каждого слота любая станция выходит на передачу с одинаковой вероятностью, равной т. Ключевым допущением является также предположение о постоянной вероятности столкновения пакета р, переданного каждой станцией, независимо от числа совершенных повторных передач. Поведение отдельных станций предполагается независимым и описывается марковской цепью, граф которой представлен на рис. 1.

Рисунок 1

Именно на основе вышеприведенных цепей и будет реализована системная модель для IEEE 802.11 ах. В качестве исходных данных возьмем сеть IEEE 802.11 ax, которая состоит из одной точки доступа и N пользовательских станций. Все станции находятся в пределах видимости ТД и всех других станций (т. е. нет скрытых станций). Они могут передавать и принимать данные, используя одну и ту же схему модуляции и кодирования и имеют точно такие же параметры. Кроме того, предполагаются идеальные условия канала передачи на физическом уровне и концентрируемся в основном на уровне MAC.

Устанавливается минимальный размер ресурсного блока RU в 242 поднесущих, что соответствует каналу 20 МГц. В каждом ресурсном блоке RU могут быть выделены потоки MU-MIMO (Multi User MIMO). Следовательно, с каналом 160 МГц и 8 антеннами, можно мультиплексировать до 64 одиночных станций, выделяя один пространственный поток для каждой станции. Для ТД и станций предполагается модель с полным буферным трафиком, то есть у них всегда есть кадр, готовый к передаче. При каждой передаче агрегированных элементов

данных протокола MAC (A-MPDU) MAC-кадры длиной LD-битов агрегируются и отправляются в соответствии со схемой агрегации пакетов A-MPDU [5].

Для расчета емкости сети необходимо учитывать вероятность возникновения коллизий, длительность этих коллизий, также необходимо учитывать успешность передачи кадра. Принимая во внимание вышеперечисленные условия, и основываясь на методике расчета Фредерико Бианачи, формула расчета пропускной способности канала вниз будет равна:

а для канала вверх:

где:

Таl=Tsu(Vs,B) - продолжительность Та2=Tsu(Vs,B) - продолжительность Та3=Tmu,d(Vs,B) - продолжительность Та4=Ттц,ц^^ц,Вт) - продолжительность многопользовательской передачи вверх; Tcl=Tc4=Tc,su - продолжительность коллизии для однопользовательских передач; Тс2=Тсз=Тс,ти - продолжительность коллизии для многопользовательских передач.

однопользовательской передачи вниз; однопользовательской передачи вверх; многопользовательской передачи вниз;

Успешные интервалы передачи и коллизии также включают в себя пустой интервал, поскольку в противном случае узлы не смогут уменьшить свой счетчик отката. Tdata учитывает долю времени, используемую для зондирования канала.

Следующим этапом исследования следует апробирование методики на практике путем математического моделирования в среде МайаЪ. В результате расчетов были получены следующие многочисленные графики, однако, выделим главные из них, чтобы описать характер емкости. Выделим графики пропускной способности от:

• Числа пользователей, изображенные на рис. 2;

Рисунок 2

Данные графики показывают пропускную способность DL и UL, достигнутую сетью стандарта IEEE 802.11 ax (а= 0,2 и в= 0,8). Обеспечивается более высокая пропускная способность как для передачи вверх, так и для передачи

вниз за счет увеличения количества кадров, объединённых в одном A-MPDU (с 64 до 256 кадров), и поддержки многопользовательской передачи с участием большого числа станций по сравнению с предыдущими поколениями. Также графики показывают, что на общую производительность системы механизм прослушивания канала не влияет в 802.11 ax. Это обусловлено тем, что пользовательские станции отправляют в ТД информацию о состоянии канала CSI параллельно, а не последовательно, как это делается в IEEE 802.11ac [6], что для большого количества пользовательских станций приводит к значительному сокращению временных накладных расходов.

• Ширины канала, изображенные на рис. 3;

Рисунок 3

На графике показана пропускная способность для DL и UL от ширины канала. Как и ожидалось, пропускная способность вверх и вниз увеличивается с увеличением ширины канала. Мы можем заметить, что пропускная способность при передаче вниз ниже для более высоких максимальных размеров A-MPDU. Этот результат объясняется операцией EDCA, которая дает одинаковые возможности передачи (в долгосрочной перспективе) всем претендентам, если они используют одинаковые параметры CWmin и CWmax. Пользовательские станции осуществляют передачу в течение периодов времени, пропорциональных максимальному размеру A-MPDU, увеличение этого значения уменьшает количество эффективного эфирного времени, выделенного для ТД. Следовательно, использование больших кадров A-MPDU может отрицательно сказаться на производительности DL, и требуется осторожный подход к настройке этого параметра.

• Количества антенн MIMO, изображенные на рис. 4.

Рисунок 4

Увеличение количества антенн на ТД позволяет увеличить количество пространственных потоков, используемых в однопользовательских и многопользовательских передачах. На рис. 4 показано, что пропускная способность при передаче вниз увеличивается с увеличением количества антенн в ТД, поскольку число пользовательских станций, мультиплексированных в каждом RU, увеличивается пропорционально количеству пространственных потоков, выделенных каждому пользователю в однопользовательских передачах. Правда, имеется ограниченное число антенн, установленных на пользовательских станциях, равное двум. Кроме того, также можно наблюдать, что выигрыш от добавления большего количества антенн увеличивается пропорционально ширине канала.

Заключение

Стандарт IEEE 802.11 ax все еще находится в стадии разработки. Хотя большинство его фундаментальных характеристик уже включены и объединены в текущей версии проекта, все еще есть много открытых аспектов, которые необходимо уточнить и детализировать в ближайшие несколько лет, особенно те, которые касаются того, как эффективно использовать представленные новые функциональные возможности.

Полученные результаты дают представление о том, как работают сети стандарта IEEE 802.11 ax для различных конфигураций, включая такие аспекты, как влияние на пропускную способность сети скорости прослушивания канала, максимального размера A-MPDU, ширины канала и количества антенн на точке доступа. Показана необходимость предоставления точных приоритетов при планировании ТД многопользовательских передач для DL и UL для избегания коллизий с пользовательскими станциями и оптимизации пропускной способности WLAN. В рамках исследования была предложена модель сегмента сети стандарта IEEE 802.11 ax, которая учитывает временные издержки физического и канального уровня доступа к каналу. Также в модели было учтено, что при расчете пропускной способности канала в сети стандарта IEEE 802.11 ax требуется рассматривать как однопользовательские, так и многопользовательские сценарии передач в каналах вниз и вверх. Недостатком данной модели является то, что не учитываются потери, возникающие на физическом уровне, а также эффекты разнородного трафика.

Кроме того, ряд допущений, таких как равноудаленность всех станций, отсутствие скрытых узлов и условие насыщения сети может также изменить общую пропускную способность сети.

Из моделирования в среде MATLAB были получены значения пропускной способности, которые оказались меньше за счет учета издержек физического и канального уровня. Процедура прослушивания и изменение скорости запросов CSI минимально влияют на общую производительность системы (отклонение значений пропускной способности канала для DL = 5.83-5.88%, для UL = 0.79-1.27%) поскольку пользовательские станции отправляют в ТД информацию CSI параллельно, а не последовательно, как это делается в IEEE 802.11 ac. Требуется осторожная настройка величины A-MPDU, поскольку увеличение этого значения уменьшает количество эффективного эфирного времени, выделенного для ТД и уменьшает пропускную способность сети в направлении вниз на 60%.

Литература

1. Макаренко В. 802.11 ax - Новая версия стандарта высокоскоростной системы связи. // Телекоммуникации и связь, 2017. - № 2, апрель-июнь 42-51 с.

2. Макаренко В. Особенности стандарта беспроводной связи IEEE 802.11ac // Электронные компоненты и системы, 2012. - №7. - С. 671-699.

3. Wi-Fi Alliance. Wi-Fi 6: High performance, next generation Wi-Fi, 2018. [Электронный ресурс] URL: https://www.wi-fi.org/discover-wi-fi/next-generation-wi-fi (Дата обращениея: 08.07.2020).

4. Bianchi G. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function, 2000. - В. 3. - С. 535-547.

5. Ahn W., Kim Y. Y. and Kim R. Y. An energy efficient multiuser uplink transmission scheme in the next generation WLAN for Internet of Things, Int. J. Distrib. Sensor Netw, 2016. - В. 12. - С. 1-10.

6. Afaqui M. S., Garcia-Villegas E. and Lopez-Aguilera E. Dynamic sensitivity control algorithm leveraging adaptive RTS/CTS for IEEE 802.11ax, IEEE Conf., Doha, Qatar, 2016. - С. 1-6.

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА СЕРВЕРНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

А.С. Федоров, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, andreeffrom@mail.ru; Р.А. Андреев, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, as.fdrv@bk.ru.

УДК 621.391.8_

Аннотация. В рамках данной статьи описаны условия помещения и необходимые параметры для системы мониторинга серверного обрудования. В ходе проведения исследования была реализована система мониторинга серверного обрудования на базе НОЦ «БИС» СПбГУТ для предотвращений перегрева оборудования, выхода его из строя, а также информирования о возникновении пожаров, затоплений и задымлений помещения. Произведен и аргументирован выбор оборудования для реализации системы мониторинга. Описана программная реализация системы мониторинга с использованием платформы Node-RED и стандарта беспроводной связи Wi-Fi, показаны этапы конфигурации оборудования.

32