Разработка беспроводной многоканальной системы передачи больших потоков данных реального времени

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Программирование


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

В современном обществе видео- и телетехнологии играют важную роль. Они распространены практически повсеместно: телевидение, домашняя видеосъемка, различные игровые приставки, воспроизведение видеофайлов на домашнем компьютере и многое другое плотно вошло в жизнь человека.

Среди многообразия задач, связанных с мультимедийными технологиями, можно выделить задачу доставки видеоматериала от некоторого источника, которым может являться видеокамера, игровая приставка и т. д. к устройству отображения или устройству последующей обработки.

Особым типом такого рода задач является передача видеопотока от нескольких источников видеоинформации к единому центру ее обработки. Эта задача особенно важна в работе мобильных телевизионных бригад. Так при съемке какого-либо репортажа вне телевизионной студии, например, спортивного события на стадионе, необходимо обеспечить работу нескольких видеоператоров в разных местах стадиона (на трибунах, рядом с полем и так далее) на достаточно большом удалении от передвижной телестанции (ПТС).

Обычно в таких условиях используются проводные решения, но им присущи следующие недостатки:

Ограниченность свободы перемещения видео операторов, при том, что во время видеосъемок зачастую необходимо иметь возможность передвигаться по объекту.

Небольшая скорость развертывания. Необходимо минимизировать время от момента приезда ПТС на место съемок до приведения системы в полностью рабочее состояние. Прокладка кабелей для передачи информации зачастую затруднена, а развёртывание кабельной системы занимает довольно большое количество времени.

Беспроводные технологии лишены указанных недостатков, но предъявляют некоторые дополнительные требования:

Обеспечение длительной работы сети, следовательно, необходимость низкого энергопотребления устройств.

Компактность устройств.

Приемлемые расстояния устойчивой передачи данных.

Доступные решения на основе беспроводных технологий не в полной мере отвечают предъявляемым требованиям. Перед лабораторией № 13, на базе которой выполняется дипломная работа, стоит задача разработки системы доставки видеоматериала от видеооператоров мобильной телевизионной бригады к ПТС, использующей беспроводные технологии и отвечающей этим требованиям.

Разрабатываемая система включает в себя следующие составляющие:

Рис. 1 — Схема разрабатываемой системы

Со стороны передающего устройства (узел А):

Интерфейс захвата видеопотока с видеокамеры.

Подсистема обработки полученных данных, предназначенная для компрессии видеопотока с целью уменьшения необходимой пропускной способности канала передачи и обеспечения помехоустойчивости.

Подсистема передачи обработанного потока данных на принимающее устройство посредством радиоканала.

Со стороны принимающего устройства (узел В):

Подсистема приема данных посредством радиоканала

Подсистема декомпрессии и восстановления полученного видеопотока

Интерфейс передачи видеосигнала на видеосервер ПТС.

В дипломной работе решается задача разработки подсистемы приема/передачи, потоков данных реального времени посредством радиоканала.

В условиях растущих требований к качеству, насыщенности и скорости подготовки видеорепортажей, разрабатываемая в лаборатории система является востребованной на рынке телевизионного оборудования, но может иметь и другие приложения, например, в работе спасательных и других специализированных служб, в качестве средства передачи видеоинформации с нашлемных и прочих видеокамер.

1. Введение в предметную область. Постановка задачи

Решения, основанные на беспроводных технологиях, лишены основных недостатков проводных решений, но у них есть собственные, и основной из них — небольшая пропускная способность канала.

В лаборатории решается задача создания системы устройств, обеспечивающих доставку видеопотока от нескольких видеооператоров мобильной телевизионной бригады к ПТС. Поскольку устройства являются портативными, они должны иметь небольшие габариты для удобства использования и обладать малым энергопотреблением при достаточной производительности для работы с HD-потоками.

Блок-схема передающего устройства изображена на рисунке 2а.

Рис. 2а — Блок-схема передающего устройства

Оно состоит из следующих компонентов:

Интерфейс захвата видеопотока с видеокамеры. Обеспечивает преобразование потока с видеокамеры в формат данных, используемый компрессором.

Подсистема компрессии полученного от видеокамеры потока, основанная на аппаратном видеокодеке. В настоящее время для этих целей наиболее широко применяется кодирование в формате AVC (Advanced Video Coding)[1], позволяющее уменьшить поток данных HD-видео до 6 — 8 Мбит/с.

Подсистема буферизации данных, полученных от подсистемы компрессии с целью дальнейшей их передачи.

Приемопередатчик беспроводной связи.

Микроконтроллер, обеспечивающий управление работой устройства в целом и его отдельных модулей.

Рис. 2б — Упрощенная блок-схема принимающего устройства

На рисунке 2б прямоугольником выделена упрощенная блок схема передающего устройства. В его задачу входит прием информации от передающего устройства, контроль целостности полученных данных, промежуточная буферизация и дальнейшая передача данных на ПТС посредством технологии Gigabit Ehternet. Следует отметить, что в отличии от передающей станции, принимающая станция работает с несколькими потоками данных.

Важным звеном описанной системы является подсистема приема/передачи потоков данных посредством радиоканала. Целью дипломной работы является разработка и реализация сетевой архитектуры, пригодной для передачи потоковых данных реального времени (6−8 Мбит/с) от нескольких источников данных на единый приёмный узел.

Требования, предъявляемые к подсистеме передачи данных:

Надежность передачи сигнала, так как важно, чтобы видеопоток был защищён от помех и передавался с детерминированной задержкой.

Поддержка нескольких передающих абонентов сети.

Обеспечение гарантированной ширины канала передачи данных для каждого абонента (до 10 Мбит/с)

Дальность устойчивого соединения до 100 м.

Работа включает в себя следующие подзадачи:

Обзор существующих решений

Обзор беспроводных технологий передачи данных

Разработка сетевой архитектуры пригодной для передачи потоковых данных реального времени.

Реализация спроектированной архитектуры

2. Обзор существующих решений

В настоящее время на рынке существуют следующие системы беспроводной передачи мультимедиа данных:

Компания HP (http: //www. hp. com) анонсировала HP Wireless TV Connect — новое устройство, которое позволит пользователям передавать HD-контент на телевизор без подключения ноутбука к телевизору проводами. HP Wireless TV Connect — это небольшой ретранслятор, который можно подключить к любому ноутбуку, а к телевизору подключается специализированный приемник.

Компания AMIMON (http: //www. amimon. com), специализирующаяся на беспроводной передаче HD-видео, приступила к серийному производству WHDI модулей AMIMON, которые позволяют связывать без проводов ноутбуки с мониторами. Небольшие размеры карт и малое энергопотребление обеспечивают возможность их установки в мобильные устройства.

Компания Samsung Electronics (http: //www. samsung. com) представила чипсет Wireless USB, разработанный с использованием технологии Ultra Wide Band (UWB). Решение Samsung S3C2680/S5M8311 представляет собой «систему-на-чипе» (SoC), позволяющую передавать контент высокого разрешения между двумя устройствами с интерфейсом USB по беспроводному каналу.

Компании AGI Security (http: //www. agisecurity. com) и Lorex Edge (http: //www. lorexcorp. com) производят системы видеонаблюдения WIR-DVR-LW4 и LH328501C4, соответственно, предназначенные для обеспечения безопасности. В их состав входят несколько видеокамер и один приемник. Системы позволяют получать изображение со всех видеокамер одновременно.

Решения Samsung S3C2680/S5M8311, HP Wireless TV Connect и AMIMON созданы для бытового использования и не отвечают заявленным требованиям из-за недостаточного радиуса действия используемых технологий передачи данных. Технология UWB (Ultra Wide Band), используемая в Samsung S3C2680/S5M8311 гарантирует хорошую пропускную способность канала только на расстояниях меньших 10 метров, а технология WHDI (Wireless Home Digital Interface), используемая HP Wireless TV Connect и AMIMON — меньших 30 метров.

AGI Security WIR-DVR-LW4 и Lorex Edge LH328501C4 являются подобными разрабатываемой системе и обеспечивают приемлемую дальность устойчивого соединения (около 140 метров), но пропускная способность используемого канала передачи данных позволяет передавать только видеоматериал SD-форматов.

3. Обзор беспроводных технологий передачи данных

3.1 Выбор беспроводной технологии передачи данных

При решении задачи был проведен анализ существующих беспроводных технологий передачи данных, чтобы понять какие из них являются наиболее подходящими в условиях поставленной задачи. В таблице 1 приведены доступные на данный момент технологии.

Основные параметры, по которым оценивается пригодность технологии в применении к решаемой задаче:

Радиус действия — важный параметр, так как в реальных условиях необходима возможность устойчивого соединения на расстоянии нескольких десятков метров.

Пропускная способность — необходимо, чтобы ширины канала хватало для передачи сжатого HD-видеопотока.

Таблица 1 — Беспроводные технологии

Технология

Стандарт

Пропускная способность

Радиус действия

Wi-Fi

802. 11n

до 300 Мбит/с

до 100 метров

UWB

802. 15. 3a

от 110 до 480 Мбит/с

до 10 метров

WiMax

802. 16d

до 75 Мбит/с

до 10 км

3GPP Long Term Evolution (LTE)

4G

до 173 Мбит/с на приём

до 58 Мбит/с на отдачу

до 30 км

Wi-Fi

802. 11g

до 54 Мбит/с

до 100 метров

Wi-Fi

802. 11a

до 54 Мбит/с

до 100 метров

WiMax

802. 16e

до 40 Мбит/с

до 5 км

Инфракрасный порт

IrDa

до 16 Мбит/с

до 10 метров

Wi-Fi

802. 11b

до 11 Мбит/с

до 100 метров

UMTS

3G

до 2 Мбит/с

до 8 км

GPRS

2G

до 171,2 кбит/c

до 10 км

ZigBee

802. 15. 4

от 20 до 250 Кбит/с

до 100 м

Из таблицы 1 видно, что технология UWB не подходят из-за небольшого радиуса действия, пригодного разве что для домашнего применения. Технологии GPRS, IrDa, ZigBee и UMTS обладают недостаточной пропускной способностью.

Технологии WiMax и LTE (4G) обладают подходящими параметрами, но требуют наличия в сети стационарной точки доступа и разрешительных документов на ее установку, что делает их использование возможным только в зоне покрытия стороннего провайдера, имеющего такую станцию.

Таким образом, можно заключить, что наиболее подходящей технологией для реализации поставленной задачи является технология Wi-Fi.

Основные преимущества:

Подходящий радиус действия и пропускная способность.

Технология использует разрешенную полосу частот.

На рынке представлено достаточное количество доступных по цене точек доступа.

Огромное количество устройств имеет встроенные Wi-Fi модули, что позволяет отладить работу сети, не прибегая к разработке собственной аппаратной базы.

3.2 Технология IEEE 802. 11n

В настоящее время технология беспроводной передачи данных Wi-Fi является одной из самых распространенных. Утвержденная 11 сентября 2009 года технология IEEE 802. 11n [5*] является логичным развитием ряда уже существующих технологий Wi-Fi — 802. 11a, 802. 11b и 802. 11g.

Оборудование стандарта 802. 11n разрешено к применению на территории России в диапазонах 2400−2483. 5, 5150−5350 и 5650−5725 МГц [4]

Следует отметить, что заявленная стандартом скорость передачи данных — 150 Мбит/с является скоростью физического уровня. Если же говорить о скорости передачи данных на уровне приложений, то необходимо учитывать различные факторы, такие как:

накладные расходы, связанные с передачей кадров физического, канального, сетевого и транспортного уровней.

Возможные потери данных из-за плохих условий передачи, а следовательно, необходимость повторных посылок пакетов.

Второй фактор зависит от реальных условий передачи данных, и оценить его не зная их практически невозможно. Анализ стандарта IEEE 802. 11n показывает, что если учесть только первый фактор, скорость передачи данных на уровне приложений будет равна 84,2 Мбит/с. 5]

Говоря о стандарте IEEE 802. 11n, выделим некоторые аспекты, связанные с организацией сети.

Возможные топологии сети:

Технология IEEE 802. 11n поддерживает две разных топологии сети:

Соединение типа точка-точка (Ad-hoc).

«Звезда» — есть выделенный узел сети (точка доступа — Access Point), обеспечивающий работоспособность сети и являющийся приемной станцией для передаваемых данных. Другие абоненты сети — передающие станции.

Технология MIMO

Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output)[6] - технология передачи данных с помощью N антенн и их приёма М антеннами, также называемая пространственным мультиплексированием. Пространственное мультиплексирование может поддерживать линейное увеличение пропускной способности в зависимости от количества антенн на каждой стороне. Опираясь на рисунок 3, принцип работы можно описать следующим образом:

Рис. 3 — Технология MIMO

Существует последовательность байтов для передачи (b1. bn). Передающее устройство разделяет его на подпоследовательности (T1. Tn) для одновременной передачи каждой из N передающих антенн. Сигналы, полученные на принимающих антеннах (R1. Rm) можно описать следующим образом:

Где hij — коэффициент искажения при передаче i-ой антенны j-той.

Эту систему можно переписать в матричном виде

И выразить оттуда матрицу [T] - передаваемые сигналы. После этого принимающее устройство восстанавливает исходную последовательность (b1. bn).

Коэффициенты матрицы [H] определяются по переданной преамбуле — некоторой заранее известной на принимающей стороне последовательности, передаваемой в начале каждого кадра физического уровня для обеспечения синхронизации. Таким образом, используя технологию MIMO в конфигурации 2×2 антенны, можно получить увеличение пропускной способности в 2 раза. Максимальное поддерживаемое стандартом количество антенн — четыре. Но фактически, на рынке не существует Wi-Fi модулей, использующих все четыре антенны.

Используемый диапазон частот

Устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802. 11n могут работать в двух частотных диапазонах — 2,4 ГГц и 5 ГГц. [5]

Используемая ширина каналов

Оборудование стандарта 802. 11n может работать с использованием каналов шириной 20 МГц (как в ранних версиях) и 40 МГц. Увеличение ширины канала в два раза увеличивает пропускную способность приблизительно в два раза.

Однако имеются трудности с использованием каналов шириной 40 Мгц в диапазоне 2.4 ГГц, так как в этом диапазоне возможно использование только одного канала такой ширины.

Использование технологии Short GI

Для защиты от межлучевой интерференции при передаче между отдельными символами физического уровня вставляется защитный интервал (guard Interval). Стандарт 802. 11n предусматривает режим, в котором защитный интервал уменьшен с 800 микросекунд до 400. При этом пропускная способность возрастает на 11% - с 65 Мбит/с до 72.2 Мбит/с.

Механизмы повышения эффективности канального уровня передачи данных[7]

Frame Aggregation — режим передачи нескольких кадров MAC в один блок данных физического уровня (агрегация). Используется для уменьшения накладных расходов, появляющихся при передаче кадров небольшого размера.

Block Acknowledgement — механизм, тесно связанный с предыдущим. При передаче нескольких кадров MAC-уровня с условием запроса подтверждения, подтверждение высылается на весь блок, а не на отдельные его части.

Возможность замены SIFS (Short Interframe Space) на RIFS (Reduced Interframe Space). SIFS — это интервал времени, по истечении которого передающая станция может начать передачу следующего кадра данных (если не требуется ответа принимающей станции на предыдущий). Межкадровый интервал SIFS служит для первоочередного захвата среды абонентами, которые продолжают или завершают уже начавшуюся передачу кадра. В стандарте 802. 11n появилась возможность замены интервала SIFS уменьшенным интервалом RIFS.

Reverse Direction Protocol — особенность MAC- уровня, добавляющая к подтверждениям, посылаемым станциями, полезные данные.

Способ доступа к среде

Стандартным способом доступа к среде передачи данных технологии IEEE 802. 11n является режим Distributed Coordination Function (DCF)[7] - режим работ сети, в котором все абоненты сети равноправны, и доступ к среде осуществляется по соревновательному принципу. Такой способ доступа к среде также называется конкурентным. При такой организации каждый узел, прежде чем начать передачу, «прослушивает» среду, пытаясь обнаружить несущий сигнал, и только при условии, что среда свободна, может начать передачу данных. Ясно, что при таком способе доступа будут возникать ситуации, в которых более одной станции начнут передавать одновременно (коллизии). С целью минимизации числа коллизий, используется механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance). Станция, желающая передавать, тестирует канал, и если не обнаружено активности, станция ожидает в течение некоторого случайного промежутка времени, а затем передаёт, если среда передачи данных всё ещё свободна. Если пакет приходит целым, принимающая станция посылает подтверждение. Если передающая станция не получила подтверждения, в силу того, что был поврежден или не был получен пакет данных, делается предположение, что произошла коллизия, и пакет данных передаётся снова через случайный промежуток времени, экспоненциально увеличивающийся с ростом количества попыток передач.

Плюсом такого подхода является простота реализации и достаточная эффективность в приложениях, некритичных к задержкам в передаче данных.

Существенным минусом данного режима является непригодность для передачи потоковых данных, поскольку задержки в передаче не детерминированы и может сложиться ситуация, в которой абонент может «замолчать» достаточно надолго, что неприемлемо для решения задач реального времени.

При решении поставленной задачи необходимо проанализировать используемый протокол передачи данных, определить наиболее подходящую конфигурацию сети, принимая во внимание параметры физического и канального уровней. Также важно определить логику работы сети и разработать механизмы управления работой устройств, находящихся в сети.

Раздел 1. Проектные альтернативы, обусловленные стандартом 802. 11n

При разработке архитектуры возможно использование различных проектных альтернатив, предоставляемых стандартом IEEE 802. 11n. Необходимо выбрать следующие настройки сети наиболее подходящие для решаемой задачи:

Топология сети

Способ доступа к среде

Используемый диапазон частот

Ширина используемых каналов

Технология MIMO

Использование технологии Short GI

Режим совместимости

Топология:

В условиях решаемой задачи существуют несколько передающих станций, которые доставляют поток информации на одну приемную станцию. Таким образом, очевидной топологией для этого является «звезда».

Технология MIMO

Возможные варианты использования технологии MIMO в сравнении с передачей данных между устройствами, не поддерживающими данную технологию.

Таблица 2 — Возможные варианты использования технологии MIMO

Тип

Количество передающих антенн

Количество принимающих антенн

Пропускная способность

Дистанция устойчивой передачи данных

MIMO

Несколько

Несколько

Большая

Большая

MISO (Multiple Input Single Output)

Несколько

Одна

Такая же

Большая

SIMO (Single Input Multiple Output)

Одна

Несколько

Такая же

Большая

Фактически, использование технологии MIMO является некоторым масштабированием системы. Поэтому, на данном этапе разработки нет смысла задействовать сразу несколько каналов, поскольку процесс передачи потока принципиально не изменяется. К тому же, одним из требований к абонентским передающим устройствам является малое энергопотребление, однако, оно линейно возрастает при увеличении количества передающих антенн. Таким образом, приходим к выводу, что на стороне передающей станции целесообразно использовать одну антенну (один поток MIMO). Если же возникнет необходимость увеличить пропускную способность сети, можно будет легко задействовать технологию MIMO в конфигурации с несколькими антеннами, поскольку она уже поддерживается оборудованием стандарта IEEE 802. 11n.

Принимающая станция (точка доступа) может использовать большее количество антенн для повышения надежности передачи и радиуса действия сети, так как на его стороне проблем с энергопотреблением не существует.

Используемый диапазон частот

Устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802. 11n могут работать в двух частотных диапазонах — 2,4 ГГц и 5 ГГц.

2.4 ГГц

Преимущества

Большинство устройств доступных на рынке поддерживают этот диапазон, в отличие от диапазона 5 ГГц.

Недостатки

Широко используемый диапазон (используется оборудованием IEEE 802. 11g, некоторыми DECT — телефонами и СВЧ — печами). Вследствие этого диапазон сильно зашумлен, что приводит к искажению передаваемой информации из-за помех.

Количество непересекающихся каналов передачи данных — 3. То есть всего три различных Wi-Fi сети могут работать в одном эфирном пространстве, не создавая друг другу помех. В настоящее время практически в любых местах наблюдается наличие более трех сетей, что означает, невозможность создания своей дополнительной сети, не взаимодействующей с уже существующими. Это может сильно увеличить количество потерь пакетов, что уменьшит общую пропускную способность системы.

Затруднено использование каналов шириной 40 МГц.

5 ГГц

Преимущества

Малая занятость диапазона. До недавнего времени этот диапазон был запрещен для использования гражданскими организациями. В связи с этим, существует ограниченное число устройств, работающих в этом диапазоне.

количество непересекающихся каналов передачи данных — 19.

Возможность использовать каналы шириной 40 МГц в полной мере.

Недостатки

В сравнении с диапазоном 2. 4ГГц хуже подходит для использования в помещениях, так как волны меньшей длины лучше проходят сквозь препятствия (стены, потолки и т. д.).

Таким образом, приходим к выводу, что приоритетно использование частотного диапазона 5 ГГц, за исключением случаев использования в помещениях с большим количеством препятствий. Однако необходимо отметить, что с точки зрения логики работы сети разницы между используемыми диапазонами частот нет, что позволяет проводить эксперименты в любой конфигурации (как 5 ГГц, так и 2.4 ГГц).

Используемая ширина каналов

Использование каналов шириной 40 МГц приводит почти к двукратному увеличению пропускной способности, следовательно, их использование предпочтительно. Однако существуют определенные трудности при работе с каналами шириной 40 МГц в диапазоне 2,4 ГГц — неизбежны помехи, создаваемые устройствами, работающими в других беспроводных сетях этого же диапазона, что приводит к падению производительности системы. В диапазоне 5ГГц такой проблемы не возникает, что позволяет использовать преимущества более широких каналов.

Однако с точки зрения логики работы ситуация схожа с выбором используемого диапазона частот. Это также позволяет проводить эксперименты в любой конфигурации (как 20 МГц, так и 40 МГц).

Использование технологии Short GI

Уменьшение защитного интервала может вызвать ошибки при приеме пакета, тем самым увеличивая количество повторно переданных пакетов. Анализ технологии и проведение ряда экспериментов показали, что при использовании технологии SGI реальная пропускная способность устройств возрастает, что говорит о необходимости ее использования.

Проанализировав все возможные альтернативы приходим к выводу, что для нашей задачи наилучшей конфигурацией является:

Таблица 3 — Конфигурация сети

Топология сети

Звезда

Используемый диапазон частот

5 ГГц

Ширина используемых каналов

40 МГЦ

Технология MIMO

N x 1 (N антенн на принимающей станции, одна на передающей)

Технологии Short GI

Включена

Принципиальная схема работы сети

Одним из принципиальных требований к работе системы является поддержка гарантированной пропускной способности в расчете на абонента. Сети со случайным доступом абонентов к среде не могут обеспечить этого. Таким образом, приходим к выводу, что необходим способ организации сети, основанный на модели сети с маркерным способом доступа [8], то есть сети, право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу. Одной из наиболее известных сетей с таким способом доступа является сеть Token Ring [9].

Общая концепция маркерной сети такова — абоненты сети получают право на передачу данных только при получении кадра специального формата — маркера. Если абонент не получал этот специальный кадр, он не имеет права начинать передачу. Таким образом, в каждый конкретный момент времени только один абонент сети имеет доступ к среде и право передачи. Следовательно, исключается принципиальная возможность коллизий (одновременной передачи данных несколькими станциям) и как следствие порчи передаваемых кадров. Второе преимущество заключается в том, что каждый абонент сети в обязательном порядке получает право на передачу, что дает возможность обеспечить ему гарантированную пропускную способность.

Самая распространенная топология маркерной сети — кольцо (Token Ring). В применении к нашей задаче, учитывая ее топологию (описанную в главе 1 раздел 3), целесообразно изменить схему передачи права доступа следующим образом:

Рис. 4 — Изменение схемы передачи права доступа при переходе к топологии вида «звезда»

Исходя из приведенной схемы следует, что фактически, все передачи маркера происходят через выделенный узел сети — точку доступа (изображено серым квадратом на рисунке).

В сети существует два типа устройств

точка доступа, являющаяся координатором

абоненты

Функции координатора:

Динамическое перераспределение ресурсов сети между абонентами

Управление доступом к среде абонентов посредством посылки маркеров

Прием потоков информации от абонентов

Контроль величины и постоянства принимаемых потоков данных

Предоставление средств для запуска и настройки системы

Функции абонентов:

Обработка специальных пакетов-маркеров

Передача потока информации на координатор

Управление величиной исходящего потока в зависимости от качества связи

Обеспечение необходимой буферизации исходящего потока данных

Координатор разбивает все время работы на некоторые кванты — таймслоты. Таймслот — это промежуток времени, в течение которого право на доступ к среде имеет конкретный абонент. Передача права доступа с помощью отправки координатором пакета-маркера осуществляется по истечении каждого таймслота.

Работу такой сети можно изобразить на следующем примере:

Рис. 5 — Схема работы маркерной сети с координатором

Рассмотрим сеть, включающую в себя координатора (К) и двух абонентов: абонента 1 (А1) и абонета2 (А2). Как видно из рисунка, координатор передает пакет-маркер, предназначенный A1. После приема пакета-маркера, А1 начинает передавать поток информации К в течение промежутка времени t1. В это время А2 не имеет право на передачу. После истечения времени t1, К посылает пакет-маркер А2. После приема, А2 начинает передавать информацию К в течении промежутка времени t2 и так далее. Времена t1 и t2 являются таймслотами абонентов А1 и А2 соответственно. В простейшем случае равнозначных абонентов (как в нашем примере) эти времена равны, хотя в общем случае это не всегда выполняется (случай абонентов передающих различные по величине потоки данных)

Механизмы диспетчеризации и повышения надежности

Встает вопрос как именно организовывать доступ к среде и каким образом передавать абонентам право на передачу данных.

Возможны два подхода:

Функции координатора распределены между всеми абонентами сети

Изначально определяется очередность, в которой абонентам будет предоставляться доступ к среде. Абонент принимает пакеты, которые передаются в данный момент, анализирует источник этих пакетов, и в случае, если сейчас передает предыдущий абонент в очереди, начинает передачу данных после завершения текущей передачи. Например, если в данный момент передает первый в очереди абонент, то второй начнет передачу после окончания передачи первого и так далее.

Плюсом данного подхода является возможность обходиться без специальных пакетов-маркеров, что позволит уменьшить накладные расходы работы сети.

Недостатком является уменьшение радиуса работы системы, поскольку передающие станции доставляют видеопоток на принимающую (точку доступа), следовательно, важна дистанция от каждого абонента до станции, расстояние от одного абонента до другого роли не играет. В данном подходе предполагается, что все абоненты должны «слышать» всех, что существенно ограничивает радиус работы системы.

Функции координатора выполняет выделенный узел сети

Плюсами такого решения является централизованность системы, возможность динамически управлять ею, воздействуя на нее только с помощью одного узла сети — координатора

Следует заметить, что при маркерном способе доступа исключена возможность возникновения коллизий. Однако поскольку стандарт IEEE 802. 11n для передачи информации использует такую открытую среду как радиоэфир, при передаче данных будут возникать потери, обусловленные радиопомехами.

Для обработки таких потерь необходимы специальные механизмы повышения надежности работы системы:

Адаптивный опрос

Предоставление дополнительных (резервных) таймслотов абонентам с низким уровнем сигнала

Идея механизма заключается в наличии дополнительного запаса таймслотов. Если во время опроса один или несколько абонентов не начали передачу при получении пакета-маркера или количество полученной информации оказалась меньше ожидаемого, в конце очереди опроса координатор может использовать дополнительные таймслоты для повторного опроса этих абонентов. Этим достигается уменьшение задержек в передаче потока данных, что важно для задач реального времени. Мониторинг принятого объема информации и расчет ожидаемого объема представляет собой нетривиальную задачу в случае приема неравномерного потока данных. В этой ситуации проще отслеживать уровень наполненности буфера передающей станции (подробнее Глава 2 Раздел 4).

Приоритезация доступа абонентов в зависимости от «важности» передаваемой информации

Механизм важен при работе неравнозначных абонентов. Если же один из видеопотоков, передаваемых абонентами является более приоритетным, чем остальные, необходимо обеспечить его гарантированное получение без помех и задержек.

Так если отведенной высокоприоритетному каналу полосы недостаточно при текущих параметрах качества связи, возможно ее расширение за счет уменьшения полосы менее приоритетных, вплоть до их полного исключения из опроса. Таким образом поддерживается динамическая подстройка ширины полос для каждого абонента.

Механизм запроса повторной посылки потерянной информации

Максимальная производительность при передаче данных достигается без квитирования принимающей стороной. При этом некоторые пакеты могут теряться, поэтому необходим механизм запроса их повторной передачи. Для этого координатор, посылая пакет-маркер, запрашивает потерянные пакеты данных, указывая их идентификаторы (Глава 2 Раздел 4).

Средства оптимизации повторных посылок (изменение длины пакетов в зависимости от количества потерь)

Передача пакетов большой длины является более выгодной из-за уменьшения накладных расходов, обусловленных протоколами физического и канального уровней. Но в условиях большого количества радиопомех вероятность повреждения большего пакета выше. Соответственно, изменяя длину пакета в зависимости от количества запросов на повторную передачу, можно повысить надежность передачи и, следовательно, пропускную способность в условиях повышенного уровня радиопомех (Глава 2 Раздел 4).

Использование особенностей протокола на канальном уровне

Стандарт IEEE 802. 11n предоставляет ряд механизмов канального уровня, повышающие эффективность передачи данных: Reverse Direction Protocol, агрегация, использование RIFS. (Глава 1 раздел 3. 2). На данный момент доступное оборудование не позволяет управлять этими механизмами, поэтому поддержка этих особенностей будет реализована на следующих этапах разработки системы.

Механизмы, основанные на специфике передаваемых данных

Учитывая специфику передаваемых данных, возможна оптимизация работы системы. Так, например, при передаче сжатых видеопотоков реального времени возможно организовать обратную связь в виде управления степенью сжатия в зависимости от доступной пропускной способности радиоканала. Далее эти механизмы рассматриваться не будут, поскольку на данном этапе решается более широкая задача передачи данных в не зависимости от их типа.

Механизмы передачи данных

Из характера взаимодействия абонентов сети можно сделать вывод, что топологию сети — звезду, фактически можно рассматривать как несколько соединений типа точка-точка, поскольку обмен информацией происходит только между какой-либо передающей станцией и принимающей станцией (координатором сети). Передающие станции между собой не взаимодействуют. При таком типе соединения не требуется развитых алгоритмов маршрутизации. Задача адресации сетевого уровня фактически решается на канальном уровне с помощью MAC-адресов.

Как уже было указано в пункте 2 предыдущего раздела, для обеспечения максимальной пропускной способности системы необходимо передавать данные без запроса подтверждений, поскольку в противном случае велики накладные расходы, связанные с необходимостью передачи подтверждений. Соответственно, задача транспортного уровня — контроль целостности потока передаваемых данных возлагается на принимающую станцию.

Таким образом, чтобы достичь наибольшей эффективности, необходимо работать на канальном уровне, не прибегая к использованию стандартных протоколов, таких как TCP/IP.

Для обеспечения работы механизмов транспортного уровня кратко описанных в пункте 2 предыдущего раздела, передача данных ведется контейнерами (рисунок *2) переменной длины. Каждый контейнер состоит из заголовка, несущего служебную информацию, и нескольких пакетов фиксированной длины. Каждый пакет содержит заголовок и данные уровня приложения.

Заголовок контейнера содержит информацию о состоянии буфера передающей станции — объем данных, содержащихся в буфере (указывается в количестве кадров). Это информация используется координатором при планировании опроса передающих станций.

Информация, содержащаяся в заголовке пакета:

Идентификатор пакета (4 байта) содержит порядковый номер пакета и позволяет принимающей станции контролировать целостность потока данных. Также позволяет координатору запрашивать конкретные пакеты данных для повторной передачи (Глава 2 Раздел 3).

Младшие три байта представляют собой непосредственно порядковый номер пакета. Старший байт зарезервирован. В дальнейшем планируется использовать его для установки специальных флагов в зависимости от типа передаваемых данных.

Метка времени (4 байта) содержит информацию о времени получения информации, содержащейся в пакете передающей станцией и позволяет координатору осуществлять синхронизацию принятых потоков данных (актуально для мультимедиа данных реального времени).

При получении данных от источника передающая станция разбивает их на пакеты, снабжая соответствующими заголовками, и сохраняет в кольцевом буфере. При передаче из кольцевого буфера вычитывается необходимое количество пакетов и смещается указатель начала буфера.

Так как используется кольцевой буфер, переданные данные сохраняются до тех пор, пока не будут замещены вновь поступившими. Это происходит только при получении объема данных равного объему буфера. Такой способ хранения данных позволяет в течении некоторого времени, зависящего от размера буфера, отреагировать на запрос о повторной посылке потерянного пакета.

Максимальное количество пакетов в контейнере равно 7 (определяется максимальным размером пакета MAC-уровня). Количество пакетов в контейнере зависит от уровня радиопомех (пункт 3 предыдущего раздела). Если принимающая сторона зафиксировала большое количество ошибок, то при следующем цикле опроса она сообщает об этом соответствующей передающей станции. Та, в свою очередь, уменьшает количество пакетов в контейнере, тем самым уменьшая размер передаваемых пакетов и снижая вероятность прихода поврежденного пакета.

Обобщенная архитектура решения

В сети присутствуют два типа устройств:

Принимающая станция (точка доступа)

Передающая станция

Архитектура ПО принимающей станции

Принимая во внимание все предыдущие размышления, архитектуру ПО принимающей станции сети можно представить в виде:

Рис. 6 — Архитектура П О принимающей станции

ПО принимающей станции (рисунок 6) состоит из следующих модулей:

Модуль работы с сетью — поддерживает работу сети, реализует отправку и получение данных.

Модуль диспетчеризации — поддерживает работу маркерной сети, реализует алгоритмы адаптивного опроса.

Модуль вывода статистической и отладочной информации — предоставляет функционал по фиксированию необходимых статистических данных, а также записи и хранению их в некотором хранилище данных.

Пользовательский интерфейс — интерфейс взаимодействия пользователя и программного обеспечения.

Архитектура ПО передающей станции

Архитектура ПО передающей станции представлена на рисунке 7:

Рис. 7 — Архитектура П О передающей станции

данная передача беспроводной технология

ПО принимающей станции состоит из следующих модулей:

Модуль работы с сетью — поддерживает работу сети, реализует отправку и получение данных.

Модуль обработки запросов и передачи информации — реализует механизм отклика на специальные кадры-маркеры и механизм определения количества информации, которое необходимо передать.

Интерфейс приема данных — интерфейс приема данных от источника потока.

Модуль буферизации входных данных — реализует механизм буферизации данных, полученных от источника потока для компенсации неравномерности входящего и исходящего потоков.

Пользовательский интерфейс — интерфейс взаимодействия пользователя и программного обеспечения.

4. Аппаратная и программная платформа

Для проведения экспериментов использовалось следующее оборудование:

Беспроводной маршрутизатор D-Link Xtreme NTM DIR-655 802. 11n

Беспроводные адаптеры D-Link DWA-131

Данное оборудование было выбрано, поскольку обладает следующими характеристиками:

Соответствие стандарту IEEE 802. 11n

Доступность на рынке

Поддержка важных особенностей стандарта и возможность управления ими (Глава 1 Раздел 3. 2)

Технология Short GI

Технология MIMO

Наличие готового программного обеспечения, поддерживающего работу устройства

Возможность быстрой настройки и приведения устройств в готовность к работе

К сожалению, устройства поддерживают только один частотный диапазон — 2,4 ГГц. Однако с точки зрения уровней передачи информации выше канального не существует никакой разницы и при переносе программного решения в частотный диапазон 5 ГГц не требуется модификация системы.

Все эксперименты проводились с использованием операционной системы Microsoft Windows XP, Service Pack 3. Прикладное программное обеспечение разработано с использованием языка программирования C# и среды разработки Microsoft Visual Studio. Также использовались библиотеки платформы Microsoft. NET для работы с сетью, в частности для работы с сокетами.

Данная программная платформа была выбрана, поскольку она широко распространена, а также имеется опыт разработки на этой программной платформе. Следует заметить, что механизм диспетчеризации операционной системы Microsoft Windows XP может не обеспечивать разработанному ПО достаточного количества процессорного времени, что может приводить к задержкам в работе приложения и ошибкам в измерении пропускных способностей. Чтобы избежать влияния ОС на работу разработанного ПО, был выбран интервал измерения равный 100 мс (время реакции ОС порядка 10 мс).

Кроме того выбранная платформа не позволяет управлять работой устройств на физическом и канальном уровнях, что делает невозможным некоторые улучшения технологии, описанные в разделе 3.2 главы 1, а механизм сокетов (предоставляемый платформой Microsoft. NET) дает доступ только на уровне представлений. Соответственно, использование описанной в разделе 4 главы 2 архитектуры, позволяющей решать задачи сетевого и транспортного уровней невозможно. Поэтому в настоящее время используются механизмы, предоставленные протоколами TCP/IP, реализующие схожую функциональность, но с большими накладными расходами и меньшей предсказуемостью.

На следующем этапе проектирования планируется разработка собственной аппаратной базы и отказ от использования многозадачной ОС.

Разработанное программное обеспечение

Разработанный программный комплекс состоит из двух частей

Программное обеспечение передающих станций

Программное обеспечение приемной станции

Программное обеспечение приемной станции

ПО приемной станции реализует работу сервера, использующегося для приема потоков информации от передающих станций. Так как в условиях решаемой задачи необходим одновременный прием нескольких потоков информации, реализованный сервер использует технологию асинхронных сокетов Microsoft. NET[10]. Данная технология позволяет открывать несколько TCP-соединений, при этом работа с каждым из них, фактически, ведется в отдельном потоке.

Для получения наглядных результатов, модуль вывода статистической и отладочной информации данного ПО измеряет размер полученных данных за малый промежуток времени (100 мс). Таким образом, осуществляется измерение «мгновенной» скорости передачи данных, по значениям которой можно судить о равномерности получения данных.

Пользовательский интерфейс программного обеспечения приемной станции изображен на рис. 9

Рис. 8 — Пользовательский интерфейс ПО приемной станции

Входные данные, используемые приложением в этом режиме:

IP-адрес сервера

Порт, используемый для подключения к серверу

Путь к папке для записи файлов, содержащих результаты работы программы

Величины потоков передающих станций (задаются с помощью диалогового окна, появляющегося при нажатии кнопки «Добавить») размер буфера

Величина полного периода опроса

Реализованы следующие механизмы адаптивного опроса:

Предоставление дополнительных (резервных) таймслотов абонентам с низким уровнем сигнала.

Для работы данного механизма используется следующее средство определения эффективности передачи каждой передающей станции: определяется количество информации переданное станцией за отведенный ей таймслот и количество информации, которое она должна была передать за тот же промежуток времени (исходя из начально известной величины потока). Эффективность передачи каждой станции является частным первого и второго значений.

Реализован алгоритм, по которому распределяется время, отведенное для дополнительных таймслотов. Если эффективность передачи потока для конкретной станции меньше 0,5, она заносится в список малоэффективных станций. Время, отведенное для предоставления дополнительных таймслотов делится поровну между станциями, выбранными исходя из приоритетов станций с помощью описанного ниже алгоритма.

Приоритезация доступа абонентов в зависимости от «важности» передаваемой информации

В системе существуют 10 приоритетов для передающих станций (от 0 до 9). Чем меньше цифра, обозначающая приоритет станции, тем важнее передаваемый ею поток информации.

Механизм включает в себя две части:

Выбор станций, получающих дополнительный таймслот из списка малоэффективных передающий станций.

Минимальный дополнительный таймслот ограничен, потому что если предоставить большому количеству станций дополнительные таймслоты, распределяемые равномерно между ними всеми, то такой таймслот (назовем его минимальным) станет сравним со временем передачи служебной информации при опросе, и механизм станет неэффективным. Исходя из количества времени, зарезервированного для предоставления дополнительных таймслотов, возможно определить максимальное количество станций (Nmax), между которыми можно распределить это время таким образом, чтобы для каждой из них таймслот был больше минимального. Если длина списка малоэффективных станций становится больше, чем Nmax, происходит выбор Nmax станций, которым будут предоставлены дополнительные таймслоты. Выбор производится следующим образом: сначала выбираются все станции с наивысшим приоритетом, если Nmax станций не набрано, выбираются станции с более низким приоритетом и так далее. Таким образом, дополнительные таймслоты будут предоставляться станция с высокими приоритетами.

Исключение из опроса низкоприоритетных абонентов

При троекратном повторе ситуации, в которой длина списка минимальных станций больше Nmax, возникает необходимость исключения из опроса станций с низкими приоритетами с целью предоставления больших тайслотов станциям с высокими приоритетами. При этом, анализируется, какие станции должны оставаться опрашиваемыми, и исключение станций из опроса возможно только при разнице приоритетов между остающимися станциями и исключаемыми большей задаваемого значения.

Предоставление разных по продолжительности таймслотов абонентам в зависимости от требуемого канала

Времена таймслотов рассчитываются по входным данным приложения (величинам потоков передающих станций)

Программное обеспечение передающей станции

Данное программное обеспечение предоставляет собой программу, устанавливающую TCP-соединение с принимающей станцией и осуществляющую передачу потока данных.

С целью исследования протокола IEEE 802. 11n и эффективности разработанной архитектуры, было реализовано три различных режима работы программного обеспечения передающей станции:

Режим генерации максимального потока информации

После установления TCP/IP — соединения, ПО начинает процесс отправки информации, передавая ранее инициализированный массив заданное количество раз. Таким образом, измеряемая на стороне принимающей станции общая пропускная способность зависит только от пропускной способности Wi-Fi канала.

Входные параметры:

IP адрес передающей станции

IP адрес интерфейса, через который будет осуществляться передача

Количество информации для передачи

Режим генерации потока информации фиксированной величины

После установления TCP/IP — соединения, ПО передающей станции запускает отдельный поток, который отправляет определенное количество информации через конкретные промежутки времени. Таким образом, гарантируется равномерность исходящего потока данных, что моделирует реальный поток данных (например, видеопоток).

Входные параметры:

IP адрес передающей станции

IP адрес интерфейса, через который будет осуществляться передача

Количество времени для передачи

Величина генерируемого потока

Режим опроса

В режиме опроса пользовательский интерфейс ПО передающего устройства выглядит следующим образом:

Рис. 9 — Пользовательский интерфейс ПО передающей станции

После установления TCP/IP — соединения, ПО передающей станции переводит сокет в режим приема и ожидает приема специального сообщения, дающего право на передачу этой конкретной станции, содержащего информацию величине промежутка времени в миллисекундах, в течение которого станция может передавать данные. После получения такого кадра, станция передает фиксированный поток информации (используя те же механизмы, что и вторая версия ПО). По истечении заданного промежутка времени, передающая станция прекращает передачу и переводит сокет в режим чтения до получения следующей специальной посылки такого же типа.

Входными данными являются:

IP адрес передающей станции

IP адрес интерфейса, через который будет осуществляться передача

Величина генерируемого потока

Проведенные эксперименты

Было проведено две серии экспериментов:

Эксперименты, направленные на изучение неравномерности передаваемого потока данных при различных способах доступа к среде

Эксперименты, направленные на изучение работы механизмов адаптивного опроса

Все эксперименты были проведены на описанном ранее оборудовании с использованием следующих параметров сети:

Таблица 4 — Параметры сети при проведении экспериментов

Способ доступа к среде

DCF

Используемый диапазон частот

2.4 ГГц

Ширина используемых каналов

40 МГЦ

Технология MIMO

3x1 (максимальная скорость 150 Мбит/с)

Использование технологии Short GI

Включена

Общая схема экспериментов представлена на рисунке 10.

Рис. 10 — Общая схема экспериментов

(ПК — персональный компьютер, ПС — предающая станция)

В сети присутствуют:

Несколько передающих станций, представляющих собой персональный компьютер с подключенным к нему беспроводным адаптером и установленным ПО передающей станции, работающим в каком-либо из трех режимов.

Принимающая станция, представляющая собой персональный компьютер с подключенной к нему точкой доступа и установленным ПО принимающей станции

Пропускная способность интерфейсов, используемых для подключения передающих и принимающего устройств к персональным компьютерам, превышает пропускную способность технологии IEEE 802. 11n. Следовательно, используемые интерфейсы не оказывают влияние на результаты экспериментов.

Изучение неравномерности передаваемого потока данных при различных способах доступа к среде

Схема проведения первой серии экспериментов:

Один передающий абонент в режиме конкурентного доступа к среде (Глава 1 раздел 3. 2) (Эксперимент 1)

Три передающих абонента в режиме конкурентного доступа к среде (Эксперимент 2)

Три передающих абонента с фиксированными потоками в режиме конкурентного доступа к среде (Эксперимент 3)

Три передающих абонента с фиксированными потоками в режиме опроса (Эксперимент 4)

Расстояние от приемника до передатчиков — 5 метров в условиях прямой видимости

Эксперимент 1

Проведенные расчеты показали, что теоретическая пропускная способность оборудования стандарта 802. 11n на уровне приложений составляет 84,8 Мбит/с (Глава 1 раздел 3. 2). Чтобы проверить фактическую пропускную способность такого оборудования был проведен эксперимент, представляющий собой многократное измерение пропускной способности сети при работе в ней одной передающей станции. ПО передающей станции было включено в режим генерации максимального потока информации

Таким образом, в сети находится один передающий абонент, который использует все ресурсы сети для передачи одного потока данных.

Рис. 11 — Эксперимент 1

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы:

Фактическая пропускная способность оборудования IEEE 802. 11n — 63.8 Мбит/с

Среднеквадратичное отклонение 6,58 Мбит/с

Неравномерность скорости передачи потока данных составляет 10,3%

Эксперимент 2

При таком доступе к среде с ростом количества абонентов сети происходит рост коллизий, что приводит к задержкам и неравномерности принимаемого потока. В этом эксперименте в сети было задействовано три передающих станции с ПО, включенным в режим генерации максимального потока информации.

Рис. 12 — Эксперимент

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы:

Средние потоки существенно отличаются друг от друга

Суммарная пропускная способность упала по сравнению с одним абонентом

Среднеквадратичные отклонения:

1 абонент — 9,8 (неравномерность потока 52%)

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой