Problemy wykorzystania technologii WiFi w łączach punkt-punkt

Niska przepustowość spowodowana nieoptymalnym wykorzystaniem czasu transmisji

Najczęściej reklamowanym parametrem technologii komunikacji bezprzewodowych jest przepustowość warstwy fizycznej. Jednak istotniejszy dla użytkownika parametr, przepustowość efektywna, rzadko osiąga tak wysokie wartości. Spowodowane jest to koniecznością wykorzystania kanału transmisyjnego do celów innych niż sama transmisja danych.

Standard IEEE 802.11 zakłada wspódzielenie medium przez wiele stacji, z czego wynika konieczność poświęcenia części czasu na realizację mechanizmów współdzielenia łącza i unikania kolizji.

Ze względu na stosunkowo dużą podatność komunikacji radiowej na zakłócenia i wynikające z nich straty pakietów, w standardzie tym wprowadzono także system potwierdzania doręczenia pakietów. Przyczynia się to do poprawienia wydajności transmisji większości protokołów funkcjonujących w Internecie, jednak wymaga to od urządzeń dwukrotnej zmiany kierunku transmisji w celu nadania krótkiego pakietu niosącego jedynie informację o pomyślnym odebraniu porcji danych. Wiąże się to ze stratą kolejnej, znaczącej ilości czasu.

Zła skalowalność względem odległości

Użycie jednego kanału do transmisji w obie strony (tryb half-duplex) wprowadza konieczność wstrzymania nadawania do czasu zakończenia transmisji przez zdalną stację. W przypadku łączy zestawionych na dużych odległościach, należy doliczyć do tego także czas propagacji sygnału, co przyczynia się do dalszego zmniejszenia efektywnej przepustowości. Dodatkowo, gdy opóźnienia związane z propagacją sygnału stają się porównywalne z czasami związanymi z mechanizami rywalizacji o dostęp do medium, zwiększa się prawdopodobieństwo kolizji wynikających z ocenienia kanału jako wolny do nadawania. Sprawia to, że wydajność łączy opartych o technologię IEEE 802.11 spada wraz z odległością, niezależnie od mocy sygnału.

Brak dynamicznego doboru wszystkich parametrów transmisji

Istnieją implementacje protokołu IEEE 802.11 dobierające modulację i parametry kodowania nadmiarowego opierając się na analizie ilości gubionych pakietów. Zabieg taki jest konieczny, aby móc dostosować prędkość transmisji do panujących warunków. Modulacja nie jest jednak jedynym parametrem, który ma wpływ na jakość połączenia. Istotnymi czynnikami są także moc nadawania oraz rozmiar pakietów.

Oczywiste jest, iż zbyt mała moc nadawania na łączu o wysokim tłumieniu i zakłóceniach spowoduje duże straty pakietów. Jednak na łączu o niskim tłumieniu, zbyt duża moc nadawania także jest niekorzystna, ponieważ może spowodować przesterowanie odbiornika i podobny efekt zmniejszenia wydajności z powodu strat pakietów.

Nadawanie zbyt krótkich ramek może niepotrzebnie zredukować wydajność łącza, natomiast nadawanie zbyt długich może poważnie utrudnić komunikację w niesprzyjających warunkach.

Niestety, wszystkie dostępne na rynku urządzenia pracujące w standardzie IEEE 802.11 wymagają od użytkownika ręcznego ustawienia obu tych parametrów. Realizacja tego w optymalny sposób wymaga długotrwałego testowania, natomiast odpowiednio szybka reakcja na zmieniające się warunki jest praktycznie niemożliwa.

Rozwiązanie - protokół MRTP

Na potrzeby urządzenia Miure Duo przeznaczonego do szybkiej transmisji danych na odległych łączach punkt-punkt powstał protokół transmisji danych MRTP, który całkowicie zrywa z mechanizmami zarządzania ruchem stosowanymi w WiFi, umożliwiając osiągnięcie maksymalnej możliwej wydajności użytych interfejsów radiowych, co jest niespotykane w tej klasie urządzeń. Stało się to możliwe dzięki użyciu dwóch niezależnych torów transmisji radiowej oraz zastosowaniu unikalnych, opracowanych przez nas technik:

• fragregacji - uniezależnienia rozmiaru ramek przesyłanych radiem od ruchu użytkownika
• asynchronicznej retransmisji - zgłaszania zgubionych ramek zrealizowana z użyciem osobnego toru transmisji
• optymalizacji parametrów transmisji - optymalnego doboru modulacji, rozmiaru ramki i mocy nadawania na podstawie przeprowadzanych na bieżąco pomiarów łącza

Fragregacja

Jednym z założeń protokołu MRTP jest stwierdzenie, iż rozmiar ramki jest istotnym parametrem, który powinien zostać poddany dopasowaniu do panujących warunków i nie powinien być zdeterminowany rodzajem ruchu dostarczanego przez użytkownika.

Użycie rozmiarów ramek aż do ponad 4000 bajtów, a więc dwukrotnie większych niż standardowo dostępne, pozwala na wydłużenie czasu przeznaczonego na trasnmisję danych w stosunku do koniecznych przerw, co przyczynia się do wzrostu osiągalnej przepustowości. Ponieważ używane w Ethernecie ramki mają zwykle maksymalny rozmiar do 1518 bajtów, w celu utworzenia z nich większych paczek, muszą zostać zagregowane.

Jeśli natomiast z powodu warunków panujących w kanale transmisyjnym korzystne okaże się zmniejszenie rozmiaru nadawanych radiem ramek, może zaistnieć potrzeba fragmentacji, czyli podzielenia pakietów dostarczanych przez użytkownika na mniejsze fragmenty.

Fragregacja to nowe pojęcie określające proces łączący w sobie fragmentację i agregację pakietów. W przeciwieństwie do stosowania obu tych technik niezależnie, fragregacja pozwala na wypełnienie całej dostępnej w ramkach przestrzeni danymi użytkownika. Oznacza to, że jeśli w danej ramce zostało jeszcze miejsce do wykorzystania, lecz jest ono niewystarczające, aby nadać cały następny pakiet użytkownika, jest on dzielony na fragmenty, spośród których pierwszy wypełnia pozostałe miejsce w bieżącej ramce, natomiast następny rozpoczyna kolejną ramkę.

Asynchroniczna retransmisja

Krótkie ramki potwierdzające odebranie danych wysyłane tym samym kanałem, na którym ów odbiór nastąpił, zastąpione zostały dodaniem informacji o zgubionych ramkach do struktury protokołu. Poza zmniejszeniem narzutu przesyłania tych informacji, osiągnęliśmy w ten sposób możliwość przesyłania ich innym kanałem, co z kolei umożliwia poświęcenie każdego z nich na transmisję danych wyłącznie w jednym kierunku (transmisja full-duplex), a więc i eliminację przyczyny złej wydajności przy transmisji na dużych odległościach.

Optymalizacja parametrów transmisji

Zaimplementowany algorytm dopasowujący parametry transmisji, jako jedyne spośród rozwiązań dostępnych na rynku jest w stanie jednocześnie dobierać modulację, rozmiar ramki oraz moc nadawania w celu osiągania największej wydajności oraz unikania niekorzystnych zjawisk występujących na łączu transmisji danych.