Исследование возможностей повышения качества пакетной передачи речи при использовании стандарта IEEE 802. 11 на канальном уровне с учётом дальности беспроводной связи

УДК 004.09

Технические науки

Балдук Роман Андреевич, студент магистратуры Санкт-Петербургский Национальный Исследовательский Университет Информационных Технологий Механики и Оптики Хоружников Сергей Эдуардович, кандидат технических наук, доцент, декан факультета Инфокоммуникационных технологий Санкт-Петербургский Национальный Исследовательский Университет Информационных Технологий Механики и Оптики

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СТАНДАРТА IEEE 802.11 НА КАНАЛЬНОМ УРОВНЕ С УЧЁТОМ ДАЛЬНОСТИ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

Аннотация: данная работа посвящена пакетной передачи речи по сети Wi-Fi на канальном уровне. В работе будет представлен краткий обзор функций беспроводных сетей IEEE 802.11, рассмотрена архитектура и основные принципы работы. Также будет рассмотрена передача данных в беспроводных сетях IEEE 802.11, преимущественно на канальном уровне, будут описаны принципы формирования сигнала и пакетной передачи данных. Существующим проблемам пакетной передачи речи и путям их решения будет уделено особое внимание. Как итог, будет проведён анализ пакетной передачи речи в сетях IEEE 802.11 на канальном уровне. Будут произведены расчёты пропускной способности при передаче голосового трафика, с использованием специализированных программ и учёте дальности беспроводной связи.

Ключевые слова: Беспроводные сети IEEE 802.11, пакетная передача речи, качество передачи, дальность связи.

Abstract: This paper is devoted to packet voice over Wi-Fi at the data link layer. The paper will provide a brief overview of the functions of wireless networks IEEE 802.11, considered the architecture and basic principles of operation. There will also be considered the data transmission in wireless networks IEEE 802.11, mainly at the data link layer, the principles of signal formation and packet data will be described. Existing problems of packet voice transmission and ways to solve them will be given special attention. As a result, the analysis of packet voice will be carried out in IEEE 802.11 networks at the data link layer. Bandwidth calculations will be made for the transmission of voice traffic using specialized programs and taking into account the range of wireless communication.

Keywords: IEEE 802.11 wireless networks, packet voice, transmission quality, communication range.

Введение

Беспроводные системы передачи данных сильно зависят от качества канала связи, от расположения передающей и принимающей сторон, от помех, присутствующих на используемой частоте, и от многого другого.

Поскольку речевые пакеты не повторяются, при их потере (или искажении) на приемной стороне появляется короткая пауза в речи. Частые потери речевых пакетов, вызванные плохим качеством каналов связи и перегрузками в сети, могут привести к ухудшению разборчивости речи, а иногда и к полной невозможности общения [1].

В технологии Wi-Fi используется метод множественного доступа CSMA/CA. Данный метод позволяет устройствам поочередно передавать их данные в канале связи, между ними постоянно идет борьба за имеющийся канал. Как и в любых системах множественного доступа, в данной системе присутствуют заметные задержки при передаче данных, особенно при условии немалых потерь в канале связи, когда присутствует большое количество перезапросов данных от каждого устройства. Все вышеописанное показывает

то, насколько проблематична передача мультимедийных данных по сетям технологии IEEE 802.11 [2].

Рассмотрим, какая скорость передачи данных, параметры качества канала связи и при каких условиях могут быть получены на оборудовании Wi-Fi стандарта IEEE 802.11.

В таблице 1 приведены данные расчетов пропускной способности устройств стандарта IEEE 802.11 на однонаправленном UDP/TCP трафике с пакетами длиной 1500 байт.

Рабочая частота Частотные каналы Пиковая скор. соединения Макс. скорость TCP Макс. скорость UDP

802.11a 5 ГГц 20 МГц 54 Мбит/с 24,4 Мбит/с 30,5 Мбит/с

802.11b 2,4 ГГц 20 МГц 11 Мбит/с 5,9 Мбит/с 7,1 Мбит/с

802.11g 2,4 ГГц 20 МГц 54 Мбит/с 24,4 Мбит/с 30,5 Мбит/с

802.11n 2,4/5 ГГц 20/40 МГц 600 Мбит/с 321,5 Мбит/с 393,2 Мбит/с

Таблица 1. Пропускная способность Wi-Fi I EEE 802.11a/b/g/n/.

Основной причиной значительно более низкой скорости передачи данных на Ethernet интерфейсе по сравнению со скоростью кодирования на wireless интерфейсе оборудования Wi-Fi, и сильной зависимости пропускной способности от параметров трафика, является высокая нагрузка - большая доля служебной информации по сравнению с полезными данными в пакете Ethernet.

Высокая нагрузка приводит к тому, что максимальная пропускная способность Wi-Fi оборудования на длинных пакетах порядка 1000-1500 байт составляет примерно половину от максимальной скорости кодирования символов. При уменьшении длины пакетов данных негативное влияние нагрузки увеличивается так, что, например, пропускная способность на мелких пакетах длиной 64 байт составляет примерно 16% от пропускной способности на длинных 1000-1500 байт пакетах.

На рис.1 приведена зависимость расчетной пропускной способности устройства стандарта IEEE 802.11n от длины пакета данных полезного трафика, при загрузке устройства голосовым трафиком. На графике видна значительная деградация пропускной способности при уменьшении длины передаваемых

пакетов данных, обусловленная значительными нагрузками используемого протокола канального уровня.

Рис.1 Зависимость пропускной способности устройств стандарта IEEE 802.11n от длины

пакета данных.

Выводы: Пропускную способность стандартных Wi-Fi устройств, при загрузке голосовым трафиком, на мелких пакетах невозможно повысить сверх ее теоретического максимума (ограниченного кривой на рис. 1) путем применения более мощных аппаратных платформ. Устройства Wi-Fi стандарта IEEE 802.11n за счет использования аппартно-программной пакетной агрегации и технологии MIMO 2x2 имеют более высокую пакетную производительность и значительно более высокую максимальную скорость передачи данных по сравнению с Wi-Fi стандарта IEEE 802.11a/g.

Библиографический список:

1. Пролетарский, А. В. Беспроводные сети Wi-Fi / Пролетарский А. В., Чирков Д.Н - М.: Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ», (Основы информационных технологий) 2016.

2. Семенов, Ю. А. Алгоритмы и протоколы каналов и сетей передачи данных. Учебное пособие / Семенов Ю. А. - М.: Интернет-Университет Информационных Технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. -634с.