IEEE 802.11 MAC시뮬레이션과 무선데이타 네트워크를 위한 bursty error에 관한 연구

Abstract

이 연구의 초점은 IEEE 802.11 무선 랜 프로토콜 Medium Access Protocol (MAC) 상에서의 버스티 에러의 효과와 패킷 충돌을 조사하는 것이다. 무선 네트워크의 빠른 성장에 있어서 중요한 요소는 유선 시스템과 무선 시스템 간에서 단절 없이 전송하는 것이라고 할 수 있다. IEEE 802.3 랜을 폭넓게 사용하고 있는 IEEE 표준 그룹은 IEEE 802.11 무선 랜 표준을 발전시켜왔다. IEEE 802.11은 네트워크의 상위 레벨에서부터 드러나지 않는 상태로 남아 있으므로, 네트워크 간의 단절 없는 전송을 허용하게 된다. IEEE 802.11을 위한 기본 프로토콜인 Distributed Foundation Wireless Medium Access Control (DFWMAC)은 데이터 링크 레이어의 MAC을 조절한다. 그 프로토콜은 Carrier Sense Multiple Access with Collision with Advance (CSMA/CA)라는 원리의 접속 조절 메커니즘을 기반으로 하는데, 이 원리는 IEEE 802.3 표준에서 사용되는 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) 프로토콜을 개선한 것이다. CSMA/CA에서의 충돌 회피 스킴은 데이터 패킷이 충돌할 가능성이 보다 낮은 상태로 무선 매체를 통해 전송되도록 한다. 슬로티드 다중 접속 무선 시스템에서, 성능 파라미터는 통신 채널에서의 비트 에러율의 영향을 받는다. 이 에러는 전파 채널이나 데이터 패킷 충돌로도 알려져 있는 노이즈의 결과로 나타나는 것이다. 충돌은 두개 이상의 스테이션이 동시에 데이터를 전송하기 위해 동일한 타임 슬롯을 선택함으로서 데이터 패킷을 변조시킬 때 나타난다. 이 연구에서, 마이크로소프트 비주얼 베이직 프로그래밍으로 코딩된 시뮬레이션 모델은 CSMA/CA에서의 비트 에러와 패킷 충돌의 효과를 조사하는데 활용되었다. 이 연구에서 사용된 성능 파라미터에는 throughput, 매체 활용, 충돌, 스테이션 데이터 큐 길이가 있다. 시뮬레이션 모델에서, 통신 채널에서의 에러 버스트는 good(G)와 bad(B)라는 두개의 스테이트를 가진 간단한 길버트 모델을 사용하여 모델링하였다. 스테이트 G는 에러가 없는 것을 의미하며, 따라서 에러는 스테이트 B인 경우에만 발생할 수 있다. 충돌은 두개 이상의 스테이션이 동일한 타임 슬롯에서 데이터 패킷 전송을 시작하는 것으로 실험되었다. 그러므로, 스테이션의 수가 많아질수록, 매체에 대한 스테이션의 경쟁도 많아져서 충돌의 수가 증가되는 결과를 가져오게 된다. 또한, 충돌은 각 스테이션이 시스템으로 보내는 트래픽 양에 의해서도 증가된다. 스테이션 로드는 상위 네트워크 프로토콜 레이어에서 전송되는 단위 시간당 데이터 패킷의 수로 정의한다. 5장의 결과는, 네트워크의 총 로드가 분산될 때 보다 높은 네트워크 throughput을 얻을 수 있다는 사실을 증명한다. 그러나 일단 네트워크가 이 모델을 위해 일정 수 이상의 스테이션으로 가득 차면, 로드가 분산됨으로써 발생되는 퍼포먼스 게인으로 충돌은 오프셋 이상이 될 것이다. 또한, 시뮬레이션 결과는, 패킷의 길이가 보다 짧을 때 네트워크 효율은 증가하는 모습을 나타낸다. 그러나, 패킷 에러율이 감소하면 두 패킷 크기 간의 성능 차이도 감소하게 된다. 일단 통신 채널에서 에러가 완벽히 제거되면, 패킷 길이가 길수록 보다 높은 throughput을 가지게 된다. ; The focus of this research is to investigate the effects of bursty errors and packet collisions on the performance of the medium access control (MAC) portion of the IEEE 802.11 wireless local area network (LAN) protocol. An important ingredient in rapid expansion of wireless networks is the seamless transition between wired and wireless systems. The IEEE standards group in charge of developing the widely used IEEE 802.3 LAN standard has developed the IEEE 802.11 wireless LAN standard. IEEE 802.11 remains hidden from the upper levels of the network, thus allowing a seamless transition between networks. The foundation protocol for the IEEE 802.11 standard, known as Distributed Foundation Wireless Medium Access Control (DFWMAC), operates at the MAC level of the Data Link Layer. The protocol bases its access control mechanism on a principle called Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), which is an adaptation of the Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) protocol used by IEEE 802.3 standard. The collision avoidance scheme in CSMA/CA allows data packets to be transferred via the wireless medium with lower probability of packet collision. In a slotted multi-access wireless system, performance parameters are affected by the bit error rates on the communication channel. These errors occur as a result of noise introduced by the radio channel or data packet collisions. Collisions occur when two or more stations select the same time slot to transmit their data, thus causing corruption in data packets. In this research, a simulation model coded in Microsoft s Visual Basic programming environment is utilized to investigate the effects of bit errors and packet collisions on performance in CSMA/CA. Performance parameters used in this study include throughput, medium utilization, collisions and station data queue lengths. In the simulation model, bursty error in the communication channel are modeled using a simple Gilbert model with two states, good (G) and bad (B). State G is error free, thus errors can only occur while the model is in state B. Collisions are simulated by two or more stations starting to transmit data packets in the same time slot. Therefore, as the number of stations increases, more and more stations compete for the medium, resulting in an increase in the number of collisions. Collisions are also increased by the amount of traffic that each station introduces into the system. Station load is defined here as the number of data packets per unit time that are released by the higher network protocol layers. The results in Chapter 5 demonstrate that higher network throughput can be achieved when the aggregate load on the network is distributed. However, once the network becomes saturated at above some number of stations for this model, collisions will more than offset the performance gains produced by the distribution of load. Furthermore, the result of this simulation shows that shorter packets can achieve higher utilization of the network. However, as the packet error rate is reduced, the performance gap between the two packet sizes is reduced. Once the errors are removed completely from the communications channel, the longer packets produce a higher throughput than the shorter packets.