Adaptation of Wireless Access MAC Protocol for Real Time Packet Flows

Abstract

Topicality of the problem. Wireless WAN technologies which can provide multimedia services to customer in most cases are implemented by the commercial providers of voice services. Thus technologies are expensive in development of the Hot-Spots, where volatile expanded concentration of customers may be observed. For such purposes the main alternative technologies are the IEEE 802.11. In modern telecommunications industry the expansion of the IEEE 802.11 networks is one of the fastest growing segment of the telecommunications market. This technology has quickly found a significant place and popularity to provide the typical services of Internet in business, home networking, and etc. Growing evolution of Internet technologies determines transmitted data flows to take a shape of specific real time multimedia flows features. For such conditions the IEEE 802.11 general technology was not adapted. It is important to develop the new operation methods based on IEEE 802.11 without changing main standard specification. This method lets to adopt an existing in market equipment of IEEE 802.11 for multimedia or voice flows. The methodology of IEEE 802.11 technological expenditures influence estimation, presented in dissertation, has not been used before. This estimation method allows to evaluate rationality of physical resource utilization and to predict protocol modification directions. Also, method of synchronous voice communication in customer access is proposed. This solution allows rational adopt the IEEE 802.11 in the voice applied customer access network. However, obtained results in dissertation let to focus on problematic of the IEEE 802.11 technology in WLAN on particular conditions, which has not been investigated very well in global as well as in Lithuania. Aim and tasks of the work. The objective of the dissertation is to analyze in detail the features and possibilities of application IEEE 802.11 technologies in the particular conditions of WLAN, and to find the possibilities to increase the real system capacity. The tasks of achieving this objective: 1.to investigate and to allot the technological expenditures required for supporting of IEEE 802.11 protocol functionality in the customer access on particular conditions; 2.to investigate in detail the performance of data transmission in the WLAN on particular conditions, and to evaluate boundary possibilities; 3.to estimate boundary amount of voice channels in the WLAN; 4.to create the methodology and the model for rational application IEEE 802.11 in the voice applied customer access network. Scientific novelty. There are lots of references intended to investigate the IEEE 802.11 technologies, to analyze the applications, the optimization in specific conditions, and the development of the new protocols as well as adaptation possibilities. The main part of these investigations points to multimedia and voice signal transmission. The typical object is the standardized well known architectures of IEEE 802.11 networks: Ad-Hoc and Infrastructure. Recently the analysis of hybrid networking can be frequently found. Major part of researches performs analysis of DCF based on CSMA/CA. The research object of dissertation is IEEE 802.11 technologies. The investigations are performed by considering that: 1.IEEE 802.11 technology is cheap, open distribute, and wide in use. However, it has appropriate drawback – limited channel capacity. 2.IEEE 802.11 technology were developed for small data blocks transmission of casual source. 3.Some of the technological functions of IEEE 802.11 are redundant and not fully used while applying for the customer access. On purpose to find the possibilities to improve the real throughput of the channel, the technological expenditures of IEEE 802.11 protocol and features of effective channel utilization are estimated in the various system levels. This approach allows to highlight the main parts of expenditures and to facilitate to look for the methods to improve channel utilization. One of such techniques is synchronization of voice and other real time data sources with WLAN. This concept of the network is original and essentially is not investigated yet. The main novelty elements in the dissertation are: 1.The analytical technique for allotting technological expenditures to separate components required for IEEE 802.11 functionality support. 2.The modeling results of influence of IEEE 802.11 standard technological expenditures as well as impact of TCP features on channel utilization. 3.An improved method of voice channel amount estimation in WLAN. 4.Synchronous voice applied customer access based on IEEE 802.11. Methodology of research. In order to user data transmission features and possibilities estimation in customer access based on IEEE 802.11 technology the mathematical and simulation methods were used. To realize models and to make simulations NS-2, and OpNET, and Matlab software packages were chosen. For results processing the Maple, Tcl were used. Practical value. The results of dissertation can be used for development, standardization, as well as implementation of voice applied customer access or other wireless networks where the main equipment is compatible with IEEE 802.11 standards. The detailed investigation results of technological expenditures can be used in analysis of any conditional wireless system based on IEEE 802.11 technology, as well as proposed four state voice transmission estimation methods. The author defends 1.The technique and investigation results for estimation of IEEE 802.11 technological expenditures in the customers access on particular conditions. 2.Modeling results of IEEE 802.11 technological expenditures influence on channel capacity in WLAN on particular conditions. 3.Modeling results of TCP functional features influence on the rational IEEE 802.11 channel resources utilization. 4.Method of voice channels boundary amount estimation in the WLAN. 5.Synchronous voice transmission method in the customer access based on IEEE 802.11 technologies. The scope of the scientific work. The dissertation includes 6 chapters and 5 appendixes. In the first introduction chapter relevance, the objective, the main tasks of the work as well as scientific novelty, practical use of dissertation results, defended statements and structure of the dissertation are presented. In second chapter the detailed analysis of the related works with dissertation is presented. The particularities of application IEEE 802.11 are defined. The overview of related works in Lithuania is included also. In third chapter the analytical technique for allotting technological expenditures to separate components required for supporting of functionality of IEEE 802.11 protocol is presented. By applying this method the influence of the technological expenditures and features of effective channel utilization in IEEE 802.11 based WLAN are estimated in the various system levels. The analysis is done by comparison of two modern technologies: the packets switching and the channels switching. The main circumstances for the adaptive protocols development are stated. In fourth chapter the modeling results of influence of IEEE 802.11 standard technological expenditures as well as impact of TCP features on channel utilization are presented. There are analysis of Interference particularities influence to aggregated throughput, TCP performance over reliable IEEE 802.11 link, as well as modeling results of packet aggregation algorithm are proposed. It is showed the main features of IEEE 802.11 technology in particular WLAN conditions. In fifth chapter the analysis is expanded on the connection level, by applying infrastructure mode (PCF) for transmission of the real time via the customer access of IEEE 802.11 standard. The technological expenditures are analyzed by applying the proposed method of estimating the WLAN voice capacity. According to this synchronous voice applied customer access based on IEEE 802.11 technology is offered. The main rule of this method is synchronization of cyclic packet transmission process of PCF with rate of voice coding. All investigation results are summarized in the sixth conclusive chapter.

Mokslo problemos aktualumas. Plačiajuostės licencijuojamų dažnių bevielės technologijos, kurios paprastai skirtos vartotojams teikti komercines multimedijos ir balso paslaugas, yra per brangios vystant prieigos tinklus, kuriuose sutinkama didelė vartotojų koncentracija. Dėl to šios technologijos dažniausiai naudojamos tik komercinių balso paslaugų tiekėjų. Labiausiai tinkama alternatyva – yra IEEE 802.11 technologijos, kurių naudojimas modernių telekomunikacijų tinklų išplėtimui įvairiose tipinėse sąlygose yra pastebimai auganti telekomunikacijų rinkos dalis. Ši technologija greitai išplito ir tapo populiari verslo, namų, „paskutinės mylios“ ir kituose tinklų vystymo sprendimuose. Modernėjant Interneto technologijoms, telekomunikacijų tinkluose įsivyrauja multimedijos požymių turintys srautai, kurių sukurtoms specifinėms sąlygoms IEEE 802.11 technologijos nėra pritaikytos. Todėl svarbu kurti naujus, ribines galimybes išnaudojančius, bet specifikacijos nekeičiančius protokolus, kurie leistų rinkoje esančią įrangą adaptuoti realaus laiko srautams. Disertacijoje naudojama IEEE 802.11 MAC protokolo technologinių sąnaudų įtakos vertinimo metodika nebuvo taikoma. Šis vertinimo būdas leidžia įvertinti fizinio resurso užėmimo racionalumą ir numatyti IEEE 802.11 protokolo modifikavimo kryptis. Pateiktas sinchroninis vartotojų prieigos adaptacijos balso perdavimams būdas leidžia racionaliai panaudoti IEEE 802.11 protokolą balsui adaptuotose vartotojų prieigose. Todėl, galima teigti, kad disertacijoje gauti rezultatai įgalina susitelkti į dar nenagrinėtas šios technologijos savybes specifinėse sąlygose bei skatina dar labiau praplėsti IEEE 802.11 technologijos tinklų tyrimų gamą pasaulyje ir Lietuvoje. Darbo tikslas ir uždaviniai. Disertacijos tikslai – detaliai ištirti IEEE 802.11 technologijos taikymo galimybes bei technines charakteristikas specifinėse vartotojų prieigos tinklų sąlygose ir rasti būdus padidinti realų sisteminį laidumą. Uždaviniai šiems tikslams pasiekti: 1. Ištirti ir išskaidyti IEEE 802.11 MAC protokolo funkcionalumo palaikymui reikalingas technologines sąnaudas specifinėse vartotojų prieigos tinklų sąlygose. 2. Detaliai ištirti duomenų perdavimo savybes specifinėse WLAN tinklų sąlygose ir įvertinti ribines galimybes. 3. Įvertinti ribinį balso kanalų kiekį WLAN tinkluose. 4. Sukurti metodiką ir modelį, kurie leistų racionaliau panaudoti IEEE 802.11 technologiją balsui adaptuotuose vartotojų prieigos tinkluose. Mokslinis naujumas. IEEE 802.11 technologijų taikymas, optimizavimas specifinėse sąlygose, naujų protokolų kūrimas, o taip pat adaptacijos galimybės nagrinėtos gana plačiai. Dalis šių tyrimų orientuota į multimedijos ir balso signalų perdavimą. Tipinis tyrimų objektas – standartizuotos gerai žinomos IEEE 802.11 tinklų Ad-Hoc ir infrastruktūros architektūros. Taip pat, daug sutinkama tyrimų, kuriuose nagrinėjami mišrūs tinklai. Dauguma tyrimų atlikti naudojant DCF režimą, pagrįstą atsitiktinių prieigų būdu – CSMA/CA. Šios disertacijos tyrimo objektas – IEEE 802.11 technologijos. Tyrimai atliekami remiantis tuo, kad: 1. IEEE 802.11 standarto technologija yra laisvai platinama, nebrangi ir plačiai paplitusi, tačiau jai būdingas ir svarbus trūkumas – ribotas kanalo laidumas. 2. EEE 802.11 standarto technologija sukurta atsitiktinių šaltinių nedidelių duomenų masyvams perduoti. 3. Taikant IEEE 802.11 standarto technologiją vartotojų tinkluose, kai kurios technologinės funkcijos yra perteklinės ir nepilnai panaudojamos. Analizuojant galimybes pagerinti IEEE 802.11 protokolo kanalo laidumą, pasirinktas technologinių sąnaudų analizės būdas. Technologinės sąnaudos vertinamos įvairiuose sisteminiuose lygiuose. Toks problemos sprendimo kelias leidžia išryškinti didžiausias sąnaudas ir palengvina paiešką būdų, kurie leistų pagerinti kanalo išnaudojimą. Vienas iš tokių būdų – balso bei kitų realaus laiko duomenų šaltinių sinchronizacija su WLAN. Tokia pasiūlyta koncepcija yra originali ir anksčiau nenagrinėta. Pagrindiniai disertacijos mokslinio naujumo elementai yra: 1. Analitinis technologinių sąnaudų, reikalingų IEEE 802.11 MAC protokolo funkcijoms palaikyti, vertinimo, suskaidant į atskiras dedamąsias, metodas. 2. Technologinių IEEE 802.11 MAC protokolo sąnaudų išskirtų dedamųjų bei TCP protokolo funkcinių savybių įtakos kanalo resursų išnaudojimui modeliavimo rezultatai. 3. WLAN tinklo balso kanalų ribinės talpos nustatymo būdas ir gauti rezultatai. 4. Sinchroninis balso perdavimo IEEE 802.11 technologijos vartotojų prieigose būdas. Tyrimų metodika. Duomenų perdavimo savybių ir galimybių įvertinimui IEEE 802.11 standarto vartotojų prieigose panaudoti matematinio ir imitacinio modeliavimo metodai. Imitaciniams modeliams realizuoti panaudoti NS–2, OpNET, Matlab programiniai paketai. Gautų duomenų apdorojimui panaudoti Maple ir Tcl paketai. Praktinė vertė. Disertacijos rezultatai gali būti panaudoti vystant, standartizuojant, o taip pat realizuojant balsui pritaikytas vartotojų prieigas arba kitus tinklus, kuriuose naudojama IEEE 802.11 standarto įranga. Detalūs tyrimo rezultatai gali būti panaudoti tęsiant analitinius ir praktinius bevielių tinklų tyrimus, o taip pat naujų technologijų kūrimo ir vertinimo procesuose. Autorius gina 1. IEEE 802.11 protokolo technologinių sąnaudų specifinėse vartotojų tinklų sąlygose vertinimo metodiką ir analizės rezultatus. 2. IEEE 802.11 technologinių sąnaudų įtakos kanalo laidumui specifinėse WLAN sąlygose modeliavimo rezultatus. 3. TCP funkcinių savybių įtakos IEEE 802.11 protokolo kanalo resursų išnaudojimui modeliavimo rezultatus. 4. Ribinio balso kanalų kiekio WLAN tinkluose nustatymo būdą. 5. Sinchroninis balso perdavimo IEEE 802.11 technologijos vartotojų prieigose būdą. Darbo apimtis. Disertaciją sudaro 6 skyriai ir 5 priedai. Pirmame, įvadiniame skyriuje aptariamas darbo aktualumas, disertacijos tikslai ir uždaviniai, mokslinis darbo naujumas, praktinis darbo rezultatų pritaikymas ir disertacijos apimtis. Antrame skyriuje pateikiama detali tyrimų, susijusių su disertacijos tema, analizė, kuri orientuota į IEEE 802.11 technologijos savybes specifinėse sąlygose. Taip pat pateikiama panašių tyrimų, atliktų Lietuvoje, apžvalga. Trečiame skyriuje pateiktas analitinis technologinių sąnaudų, reikalingų IEEE 802.11 protokolo funkcijoms palaikyti, vertinimo, suskaidant į atskiras dedamąsias, metodas. Naudojant šį metodą, detaliai analizuojamos technologinės sąnaudos sugretinant dvi skirtingas technologijas: perdavimus paketais ir perdavimus kanalais. Gauti rezultatai iliustruoja kaip duomenų laukai apauginami skirtingų protokolų antraščių struktūromis ir technologiniais laikais vieno paketo perdavimo kontekste. Nustatytos sąlygos kurti taikomųjų uždavinių sąlygoms adaptuotus protokolus. Ketvirtame skyriuje pateikiami technologinių IEEE 802.11 protokolo sąnaudų komponenčių ir TCP protokolo savybių įtakos kanalo resursų išnaudojimui modeliavimo rezultatai. Penktame skyriuje analizė išplečiama į sujungimų lygmenį, naudojant PCF funkciją realaus laiko duomenims perduoti IEEE 802.11 vartotojų prieigų tinkluose. Technologinės sąnaudos analizuojamos panaudojant patobulintą balso kanalų talpos WLAN tinkluose vertinimo būdą. Tuo remiantis pateiktas sinchroninės, balsui adaptuotos IEEE 802.11 technologijos vartotojų prieigos modelis. Esminis šio modelio bruožas – ciklinių PCF procesų ir balso paketizavimo laikotarpių sinchronizacija. Visi gauti rezultatai apibendrinami šeštame, išvadų skyriuje. Disertacijos pabaigoje pateikiamas naudotos literatūros sąrašas.