• Standardul IEEE 802.11 - secțiunile 10.3, 10.3.2.1 - 10.3.2.5
• Next Generation Wireless - secțiunea 7.3.

Protocolul CSMA/CA a fost conceput pentru a reduce probabilitatea coliziunii între mai multe stații care accesează mediul wifi, în punctul în care coliziunile pot să apară cel mai probabil. O dată ce mediul devine liber (“idle medium”) și apoi devine imediat ocupat (“busy medium”) - indicație obținută de la funcția CS (carrier-sense) avem o probabilitate ridicată de coliziune. Asta deoarece mai multe stații au așteptat ca mediul să fie liber. Această situație necesită o procedură de random backoff pentru a rezolva conflictele de acces la mediu:

O stație care dorește să inițieze un transfer de cadre folosind DCF (Distributed Coordination Function) ca procedură de acces la mediu va folosi funcția de CS (carrier-sense) pentru a determina dacă mediul e busy sau idle. Dacă mediul e ocupat stația trebuie să aștepte ca mediul să fie liber pentru o perioadă egală cu DIFS (ultimul cadru a fost recepționat fără întrerupere de mediu) sau mediul a fost liber fără întrerupere pentru o perioadă egală cu EIFS. După DIFS sau EIFS, stația care vrea să transmită trebuie să genereze o perioadă de random backoff înainte de a își iniția transferul de cadru. Această perioadă e egală cu:

$BackoffTime = Random() \cdot aSlotTime$

Aici avem:

• $aSlotTime$ - durata altor IFS (inter-frame spacing) este egală cu SIFS plus un număr de slot times. Propagarea cadrelor la nivel de PHY pot cauza ca unele stații să vadă limita terminării unui cadru (frame) la un alt moment de timp decât altele. Aici intervine rolul aSlotTime - se alege o valoare suficient de mare prin care toate stațiile participante la comunicația Wifi să detecteze preambulele de PHY ale stațiilor vecine. Pe parcursul fiecărui aSlotTime stațiile stau în modul receptor și așteaptă finalizarea propagării cadrelor pe aer. aSlotTime e valoare dependentă de tipul de PHY (DSSS, OFDM, ERP etc.) șî în general pentru protocoalele 802.11a/g/n găsim valoarea de 9 microsecunde. Figura de mai jos vă arată pentru diferite tiprui de cadre wifi (management - beacon, probe request etc., date, ack la nivel de wifi) cum se face spațierea pe aer:

• $Random()$ - o funcție care întoarce un număr pseudorandom distribuit uniform în intervalul $[0, CW]$.
  • $CW$ - este contention window, un număr întreg care poate lua valori în intervalul $[aCWmin, aCWmax]$. Cele două valori depind de tipul de PHY. În standard atât aSlotTime cât și aCWmin și aCWmax le găsim în tabele care depind de tipul de PHY: tabelul 15-5 ne dă valori pentru PHY de tipul DSSS (întâlnit la 802.11b), tabelul 17-21 ne dă pentru OFDM, tabelul 18-5 pentru ERP și tot așa. În acest laborator vom simula cu niște valori alese de noi pentru 802.11b care are PHY de tip DSSS.

Scopul acestui exerciţiu este de a investiga impactul dimensiunii ferestrei de arbitrare (contention window) asupra performanţei protocolului IEEE 802.11. MAC-ul IEEE 802.11 prevede ca toate nodurile să aleagă un timp de așteptare aleator cuprins între zero şi CW (fereastra de arbitraj), şi aşteaptă numărul ales de sloturi înainte de a încerca să acceseze canalul. Iniţial, CW este setat la CWMin (minim fereastra susţinute de mărime). Cu toate acestea, atunci când există o coliziune, dimensiunea fereastrei este dublată, până la o valoare maximă: CWMax. Aceasta tehnică de randomizare şi scalare a ferestrei este folosită pentru a reduce coliziunile. În studiul nostru vom lua în considerare o variantă de 802.11 pt cazul în care mărimea ferestrei este fixă, şi anume CWMin = CWmax = CW. Deși nu se scalează fereastra, se folosește randomizarea.

Vom avea nevoie de o topologie în care pentru a studia efectul dimensiunii fereastrei. Pentru aceasta, folosim o reţea de un hop atunci când toate nodurile sunt plasate într-un grup compact. În particular, vom considera o arie de 150x10m comună pentru toate nodurile. Fiecare sursă participă la o conversaţie, o destinaţie poate participa la mai multe.

• Descărcați scriptul tcl cw.tcl. În script, veţi găsi următoarea linie care stabilește valorile CWMin şi CWMax la valoarea dorită:

        $val(mac) set CWMin_ 31  

iar rata CBR rezultă din intervalul de generare

   $cbr_($i) set interval_ 0.05 

• Script-ul accepta trei argumente în linia de comandă
  • ns numărul de surse
  • nr numărul de destinații
  • cwmin pentru a indica limita minima a fereastrei de arbitraj/contenție
  • cwmax pentru a indica limita maxima a fereastrei de arbitraj/contenție
  • De exemplu, dacă ar fi să rulaţi un experiment cu 4 noduri în zona de 150m x 10m de reţea, cu fereastra de 63, vi se va cere să rulaţi următoarea comandă:

student@isrm-vm:~$ ns cw.tcl -ns 2 -nr 2 -cwmin 63 -cwmax 63

• Pentru 802.11b standard, cu fereastra adaptiva:

student@isrm-vm:~$ ns cw.tcl -ns 2 -nr 2 -cwmin 15 -cwmax 1023

• Rulaţi scriptul pentru ns = 4, 6, 7, 20, 40 şi pentru CWMin, CWMax ele vor fi egale și iau următorul set de valori: 3, 7, 15, 31, 63, 127, 255, 511, 1023, 2047, 4095
• Obţineţi şi plotați ca funcții de dimensiunea CW:
  • total pachete livrate la destinație ¹⁾
  • rata CBR livrată la destinație [Mbps] ²⁾
  • probabilitatea de livrare (PDR) la nivel agent ³⁾
  • probabilitatea de livrare (PDR) la nivel MAC ⁴⁾
  • numărul de pachete de date emise de MAC ⁵⁾
  • numărul de pachete de date emise de agent ⁶⁾
  • numărul de coliziuni pe secundă [pps] ⁷⁾
  • numărul de retransmisiuni per cadru ⁸⁾

Pentru a calcula PDR, va trebui să calculați numărul de pachete trimise şi numărul de pachete primite. În acest exemplu, pentru a obţine numărul de pachete trimise, puteţi utiliza următoarea comandă:

student@isrm-vm:~$ grep AGT cw.tr | grep ^s |grep cbr | wc -l 

Numărul raportat de mai sus este numărul de pachete trimise de către toate nodurile. Pentru a obţine numărul de pachete primite, aveţi posibilitatea să utilizaţi o comandă similară:

student@isrm-vm:~$ grep AGT cw.tr | grep ^r |grep cbr | wc -l 

Numărul raportat este numărul de pachete primite (ar trebui să fie cel mult egal cu numărul de pachete trimise). Probabilitatea de recepție este:

$PDR = \displaystyle \frac{N_{pktRx}}{N_{pktTx}}$

Pachete emise si trimise de nivelul MAC:

• Cu comanda de mai jos obțineți numărul global de pachete care au intrat în coliziune.

student@isrm-vm:~$ grep COL cw.tr | grep ^d |grep cbr | wc -l

• Cu comanda de mai jos obțineți numărul de pachete de date emise de MAC.

student@isrm-vm:~$ grep MAC cw.tr | grep ^s |grep cbr | wc -l 

s: Send
r: Receive
d: Drop
f: Forward 

-t 	double 	Time (* For Global Setting)
-Ni 	int 	Node ID
-Nx 	double 	Node X Coordinate
-Ny 	double 	Node Y Coordinate
-Nz 	double 	Node Z Coordinate
-Ne 	double 	Node Energy Level
-Nl 	string 	Network trace Level (AGT, RTR, MAC, etc.)
-Nw 	string 	Drop Reason
-Hs 	int 	Hop source node ID
-Hd 	int 	Hop destination Node ID, -1, -2
-Ma 	hexadecimal	Duration
-Ms 	hexadecimal	Source Ethernet Address
-Md 	hexadecimal	Destination Ethernet Address
-Mt 	hexadecimal	Ethernet Type
-P 	string 	Packet Type (arp, dsr, imep, tora, etc.)
-Pn 	string 	Packet Type (cbr, tcp) 
-Ps     sequence number (pentru tcp, coloana 47)

Această temă vă permite să corelați mărimea CW şi dimensiunea reţelei / densitatea. Tendinţa poate sau nu să fie clară din cauza unor factori cum ar fi interferenţe cu creşterea densităţii etc. Încercaţi să răspundeţi la următoarele întrebări cu privire la graficele obţinute mai sus:

• care este capacitatea rețelei în cadre/secundă? Dar în bps? Pentru a valida acest rezultat examinați în script rata folosită la nivelul fizic, parametrii CBR, și dimensiunea pachetelor. ⁹⁾
• ce tendinţe ați observat? Există o dimensiune optimă CW pentru fiecare populaţie de reţea? Ce relație există între dimensiunea optimă și populaţia reţelei? ¹⁰⁾
• puteți prezice ce se va întâmpla dacă încercaţi să rulaţi acest script pentru ns = nr = 50? Explicaţi.
• comparati performantele obtinute cu ce ar obtine 802.11 standard.
• rata de livrare la nivel UDP nu atinge mereu 100%. Cum este totuși posibilă ocuparea capacității maxime a aerului?
• numărul de cadre emise de MAC este mai mare decât numărul de pachete generate de agentul UDP. De ce?
• probabilitatea de livrare la MAC este șansa unui pachet de a supraviețui în aer. Când aceasta este 1, suntem în situația ideală
• de ce rata livrării la agentul UDP se comportă radical diferit pentru populația 4 (ns=nr=4) față de celelalte populații?
• care este numărul de încercări per pachet obținut de standardul 802.11? Comentați.
• Repetați experimentele activând RTS/CTS ¹¹⁾.
  • ce s-a întâmplat cu coliziunile? Comentați.
  • de ce pachete CBR emise de MAC arată similar cu cele de capacitate? ¹²⁾
  • de ce numărul de rtransmisii date este 0?
• repetați experimentele pentru pachete de 212 octeți (fără RTS). Comentați. ¹³⁾.
  • verificați rezultatul cu cel de capacitate din laboratorul 3
  • de ce numărul de cadre emise în aer este mai mare decât la pachete mari?
  • cât durează un cadru de date?

ACKNOWLEDGMENT: inspired by http://www.crhc.illinois.edu/wireless/assignments/simulations/slabc1.html