Článek se zabývá mechanismem pro opravu chyb ARQ (Automatioc Repeat reQuest) v bezdrátových sítích založených na technologii WiMAX. Dále jsou v něm prezenovány výsledky měření vlivu ARQ na přenosovou rychlost mezi základnovou stanicí (BS) a účastnickou stanicí (SS) v závislosti na útlumu přenosového kanálu pro různé modulace.
ARQ mechanism in WiMAX networks
Abstract
This paper deals with ARQ mechanism used for an error correction in wireless networks based on WiMAX technology.
Further, the paper presents results of measurement of an impact of ARQ on the throughput between a base station (BS)
and a subscriber station (SS) depending on the transmission channel attenuation for a set of different modulation.
Úvod
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) je bezdrátová technologie založená na rodině
standardů IEEE 802.16. WiMAX je vhodný pro budování metropolitních sítí MAN (Metropolitan Area Network),
kde by měl postupem času nahradit technologii WiFi, která byla původně určena jen pro lokální sítě LAN
(Local Area Network). Jedná se o technologii určenou především pro poskytovatele a proto klade větší
důraz na podporu kvality služeb QoS (Quality of Service) a možnost řízení a správy sítě, což umožní
nasazení moderních aplikací, které vyžadují spolehlivý přenos a nízké zpoždění (např. VoIP - Voice over
Internet Protocol, přenos videa,...).
Vývoj technologie WiMAX začal v roce 1999 a první verze standardu byla schválena v roce 2001. První verzí,
která se rozšířila v praxi je ovšem až verze IEEE 802.16-2004 [1] z roku 2004. V současné době je poslední
schválenou verzí IEEE 802.16e-2005 [2], která jako první podporuje plnou mobilitu uživatelů.
Vrstvový model
Standardy IEEE 802.16 definují pouze nejnižší dvě vrstvy vrstvového modelu, tzn. vrstvu fyzickou
a vrstvu přístupu k médiu MAC (Medium Access Control ). Tyto vrstvy odpovídají fyzické a spojové vrstvě
modelu RM-OSI [3].
Obr. 1 Struktura vrstev popisovaná standardem IEEE 802.16
Fyzická vrstva využívá pro komunikaci na přímou viditelnost (LOS - Line Of Sight) frekvenční pásmo 10 - 66
GHz a pro komunikaci na nepřímou viditelnost (NLOS - Non Line Of Sight) frekvenční pásmo 2 - 11 GHz.
V současné době jsou definována a nejvíce používána zejména licencovaná pásma LOS do 6 GHz (2,3 GHz; 2,5
GHz; 3,5 GHz a 5,8 GHz).
Aby bylo umožněno co nejefektivnější využití přenosových prostředků, tak je podporován duplexní přenos s časovým
dělením (TDD) i přenos s frekvenčním dělením (FDD). Přenos na fyzické vrstvě probíhá po rámcích. Každý
rámec může mít individuálně nastaveny parametry (šířka kanálu, délka rámce, modulace, kódování,... )
v závislosti na kvalitě komunikačního kanálu.
Technologie WiMAX umožňuje přenos dat při přímé viditelnosti v oblastech s nízkým rušením až na vzdálenost
přibližně 50 km. Maximální dosažitelná přenosová rychlost na fyzické vrstvě pro komunikaci na přímou
viditelnost je až 268 Mb/s. Komunikaci bez přímé viditelnosti mezi vysílající a přijímající stanicí NLOS
je možná až na vzdálenost přibližně 5 km s maximální přenosovou rychlostí 75 Mb/s. Šířka přenosového
kanálu se může pohybovat v rozmezí od 1,75 MHz až do 20 MHz.
Vysokých přenosových rychlostí je dosaženo použitím modulační metody OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplex) s přístupem OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) [4], která umožňuje maximální
využití frekvenčního pásma. WiMAX dále podporuje různé počty stavů modulace (BPSK (Binary Phase Shift Keying),
QPSK (Quadrature PSK), 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) a 64QAM) pro přizpůsobení přenosové
rychlosti kvalitě kanálu.
Vrstva pro řízení přístupu k médiu MAC (Medium Access Control) je rozdělena do tří podvrstev:
- Podvrstva konvergence služeb CS (Convergence Sublayer) je nejvyšší z podvrstev, zajišťuje klasifikaci a zpracování protokolových
datových jednotek PDU (Protocol Data Unit) z vyšších vrstev.
WiMAX rozlišuje dva typy konvergenční podvrstvy:
- ATM CS (Asynchronous Transport Mode CS)- Zajišťuje podporu pro přenos ATM buněk generovaných na ATM vrstvě.
- Paketová CS (Packet CS)- Zajišťuje komunikaci všech protokolů založených na paketovém přenosu dat (IP -
Internet Protocol, PPP - Point-to-Point Protocol, Ethernet, ...).
- Společná podvrstva MAC vrstvy (CPS - Common Part Sublayer) je prostřední podvrstva a zajišťuje vstup do
sítě, alokaci pásma, vytváření, rušení a údržbu spojení, vytváření a přenos MAC PDU, adresaci (identifikaci)
zařízení. Tato podvrstva je dále zodpovědná za zajištění odpovídající
kvality služby QoS, za bezchybný přenos dat nebo za realizaci handoveru.
- Podvrstva zabezpečení spoje (Security Sublayer) je nejnižší podvrstvou a zajišťuje funkce jako autentizace
uživatele, šifrování dat nebo výměnu zabezpečovacích klíčů.
Princip mechanismu ARQ
Mechanismus ARQ je zajišťován částí CPS MAC vrstvy a umožňuje opakované přeposlání dat v případě,
že při jejich přenosu došlo k chybě. O tom zda se bude pro dané spojení používat ARQ se rozhoduje při
vytváření spojení. Pokud je ARQ vyžadováno, tak se během vytváření spojení dohodnou i parametry ARQ.
ARQ funguje na principu potvrzování správnosti přijetí/nepřijetí (ACK/NACK) jednotlivých bloků. Potvrzení správně přijatých dat a informace
o chybě mohou být vysílány jako samostatná MAC zpráva (zpráva "ARQ Feedback") nebo jako součást dat u již existujícího spojení. V tomto
případě na přítomnost tohoto informačního elementu upozorňuje dílčí záhlaví, jež může následovat za obecnou hlavičkou rámce. Obecný princip metody
ARQ zjednodušeně naznačuje obr 2.
Obr. 2 Obecný princip mechanizmu ARQ
Obecně existují 3 typy ARQ: Stop and Wait, Go back-N a Selective repeat (více v [5]). Technologie WiMAX
podle standardu 802.16-2004 používá primárně typ Go-Back-N a volitelně Selective Repeat. V případě standardu
802.16e-2005 je využíváno tzv. Hybridní ARQ (HAQR - Hybrid ARQ)[2]. HARQ je kombinací klasického ARQ a
dopředné chybové korekce FEC (Forward Error Correction). Hlavním rozdílem oproti metodě ARQ je to, že
chybně přijaté bloky dat jsou použity při zpracování spolu s opakovaně přijatými daty a zvyšují tak
pravděpodobnost správného dekódování přijatých dat. Pro HARQ se využívá mechanismus Stop and Wait.
Použití ARQ je zvláště výhodné v případě, že jednotka SDU (Service data Unit) přijatá od přilehlé vyšší vrstvy je fragmentována, tedy
rozdělena na několik částí, které jsou přenášeny ve formě MAC PDU. Tyto fragmenty jsou přenášeny postupně
a jsou označeny tak, aby byla zřejmá jejich pozice v původním SDU (První-Mezilehlý...Mezilehlý.-Poslední).
V případě, že dojde ke ztrátě jedné části, jsou všechna MAC PDU, jež se vztahují k danému spojení zahozena
a čeká se, dokud není opět přijato MAC PDU s označením první (tedy, že se jedná o první část
fragmentovaného SDU). Komunikace může také dále pokračovat v případě, že je přijato MAC PDU, jež bylo
označeno jako nefragmentované.
V případě použití ARQ mechanizmu jsou přenášená data rozdělena do bloků. Velikost těchto bloků je dána
parametrem ARQ_BLOCK_SIZE, jehož hodnota je dohodnuta při budování spojení. Jedná se o části vzniklé
rozdělením SDU. Tyto bloky jsou pak přenášeny ve skupinách ve formě PDU. Toto PDU může obsahovat bloky,
jež jsou přenášeny poprvé, ale i bloky, které jsou již přenášeny opakovaně. Identifikace jednotlivých bloků
je realizována prostřednictvím čísla BSN (Block Sequence Number). V případě ztráty PDU dochází k
opakovanému přenosu jednotlivých bloků s tím, že se nemusí jednat o přenos ve formě PDU, jež by bylo
totožné s PDU ztraceným. Toto již vyplývá z výše zmíněného faktu, že se v rámci jednoho PDU mohou
vyskytovat jak poprvé, tak opakovaně přenášené bloky.
Měření vlivu ARQ na přenosové rychlosti
Cílem měření bylo zjistit, jaký vliv na přenosovou rychlost má použití metody ARQ při snižující se úrovni
přijímaného signálu.
K měření bylo použito hardwarové zařízení společnosti Alvarion [6] (podrobněji uvedeno níže), které
podporuje standard IEEE 802.16-2004. Pro měření přenosové rychlosti a generování provozu byl použit program
Iperf [7], který se k těmto účelům běžně používá. Jeho výhodou je to, že pracuje na úrovni spodních čtyř
vrstev modelu RM-OSI. Aby byl vliv funkce ARQ dobře patrný, bylo na úrovni 4. vrstvy použito protokolu TCP
(RFC 793) a přenosová rychlost byla měřena pro zapnuté a vypnuté ARQ. Pro TCP byla použita pevná šířka okna
o velikosti 128 kB.
Program Iperf pracuje na principu komunikace klient-server a spouští se prostřednictvím příkazové řádky s
příslušnými parametry [7]. Klient byl spuštěn na PC, které bylo připojeno k BS, server byl spuštěn na PC
připojeném na SS. Data byla přenášena a přenosová rychlost měřena ve směru od klienta k serveru, tedy ve
směru od BS k SS (downlink). Klient vysílal data po dobu 80 vteřin a server byl nastaven tak, aby měřil
průměrnou přenosovou rychlost v intervalu 60 vteřin. Každý bod v grafu tedy reprezentuje průměrnou
přenosovou rychlost pro danou modulaci a danou úroveň přijímaného signálu, za dobu trvání měření v délce
jedné minuty.
Měření přenosových rychlostí bylo provedeno pro modulace 64QAM, 16QAM, QPSK a BPSK a to vždy s kódovým
poměrem 3/4 [1][2]. Na BS byl dále nastaven profil QoS pro provoz typu BE (Best Effort) [1] a vypnuta
funkcionalita automatické změny použité modulace na základě aktuálně zjištěné kvality rádiového kanálu.
Tab. 1 Parametry použité pro měření přenosové rychlosti
Zařízení společnosti Alvarion, jež bylo použito při tomto měření je určeno pro licencované pásmo 3,5 GHz.
Z tohoto důvodu nebylo možné provést venkovní bezdrátové měření s použitím antén. K simulaci útlumu
přenosové trasy byla použita sada útlumových článků, přenosová rychlost byla měřena v závislosti na úrovni
přijatého signálu RSSI (Received Signal Strength Indicator) na SS stanici. Hodnota RSSI nebyla měřena přímo,
ale byla stanovena z následujícího vztahu:
kde Lv [dBm] je vysílací úroveň ve směru downlink a Ac [dB] je útlum použitých útlumových článků. Do
RSSI nebyl započítán útlum přípojného koaxiálního kabelu a konektoru, jejichž celkový útlum se může
pohybovat v jednotkách (2 až 4) dB.
Zjednodušené schéma zapojení je ukázáno na obr 3. V tabulce 2 jsou uvedeny typy použitých zařízení a
jejich základní charakteristiky.
Obr. 3 Zjednodušené schéma zapojení
Tab. 2 Parametry a typy zařízení použitých pro měření
Výsledky měření
Výsledky měření pro 4 různé typy modulací jsou na obr. 4 až 7. Výsledky provedeného měření ukazují, že
metoda ARQ má nezanedbatelný vliv na přenosovou rychlost v případě, že dochází ke zhoršení podmínek pro
přenos dat na rádiovém kanálu. Nejvíce je toto patrné u vícestavových modulací, jež jsou na zhoršení
nejcitlivější. Daní za zlepšení, jež přináší ARQ je jistá režie, která v případě dobrých podmínek způsobuje
snížení přenosové rychlosti, což je ale kromě poslední měřené modulace BPSK v podstatě zanedbatelné.
Obr. 4 Závislost přenosové rychlosti na úrovni signálu pro modulaci 64QAM
Obr. 5 Závislost přenosové rychlosti na úrovni signálu pro modulaci 16QAM
Obr. 6 Závislost přenosové rychlosti na úrovni signálu pro modulaci QPSK
Obr. 7 Závislost přenosové rychlosti na úrovni signálu pro modulaci BPSK
Výrobce udává při použití šířky kanálu 3,5 MHz a při modulaci 64QAM 3/4 maximální přenosovou rychlost
12,71 Mb/s [8]. Toto je však hodnota, které může být teoreticky dosaženo na fyzické vrstvě. Změřené hodnoty
přenosové rychlosti jsou nižší a to z důvodu režie (záhlaví, zabezpečení atd.), jež je způsobena
jednotlivými vrstvami od fyzické po transportní. V případě použití protokolu TCP činila nejvyšší naměřená
rychlost 7,10 Mb/s. Lepší výsledky při použití ARQ jsou způsobené tím, že k opakovanému přenosu chybně
přijatých dat dochází již na úrovní druhé vrstvy (dle RM-OSI) a tím dochází k přenosu méně redundantních
dat, než když je toto zajištěno až na úrovni vrstvy čtvrté.
Závěr
Z výsledků měření je patrné, že implementace metody ARQ v technologii WiMAX má své opodstatnění a je
přínosná pro komunikaci při zhoršených podmínkách na rádiovém kanále. Kladný vliv ARQ je patrný zejména
pro komplexnější modulace jako jsou 64QAM nebo 16AQM. Naopak v případě kdy je útlum kanálu nízký, tak
dochází při zapnutém ARQ ke snížení přenosové rychlosti způsobené nutností přenášet větší množství řídících
zpráv na MAC vrstvě. Tento jev je naopak patrný zejména u modulace BPSK.
Literatura
[1] IEEE Std 802.16e-2005: Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems-Amendment 2:Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands and Corrigendum 1. 2006. ISBN 0-7381-4857-1.
[2] IEEE Std 802.16-2004: Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. 2004. ISBN 0-7381-4070-8
[3] Dostálek, L., Kabelová, A. Velký průvodce protokoly TCP/IP a systémem DNS. 2. aktualiz. vyd. Praha : Computer Press, 2000. 435 s. ISBN 80-7226-323-4.
[4] Andrews, J G., Ghosh, A., Muhamed, R. Fundamentals of WiMAX : Understanding Broadband Wireless Networking. 1st edition. USA : Pearson Education, Inc., 2007. 450 s. ISBN 0-13-222552-2.
[5] Data Link Layer - Data Link Control [on-line]. USA : NY Polytechnic University, Brooklyn, NY, [cit. 2008-11-31]. Dostupný z WWW.
[6] Alvarion : BreezeMAX [online]. c2005-2007 [cit. 2007-12-20]. Dostupný z WWW.
[7] National Laboratory for Applied Network Research : Iperf-The TCP/UDP Bandwidth Measurement Tool [online]. USA : University of Illinois, c1999-2005 [cit. 2007-12-28]. Dostupný z WWW: http://dast.nlanr.net/projects/Iperf/#whatis
[8] Alvarion: BreezeMAX™ 3000 Micro Base Station : System Manual. June 2006. 226 s. Dostupný z WWW.
Mechanismus ARQ v sítích WiMAX
