Производительность устройств Инфинет

Введение

Целью документа является демонстрация потенциальной производительности устройств Инфинет. Данные, используемые в документе, получены путём лабораторного тестирования. Параметры каналов связи в реальных условиях могут отличаться от представленных, однако, в условиях минимального внешнего влияния, полученные значения достижимы на практике.

Параметры качества радиоканала определяются двумя группами факторов: влияние внешней среды и конфигурация беспроводных устройств. Под факторами внешней среды подразумевается набор характеристик, связанных с формированием, распространением и приёмом радиосигнала, качеством монтажа и т.д. Комплексное влияние этих факторов является уникальным и зависит от конкретного случая, поэтому задача воспроизведения многообразия возможных ситуаций является трудоёмкой.  Снижение индекса модуляционно-кодовой схемы является следствием уменьшения отношения сигнал/шум SNR. Поэтому при проведении лабораторного тестирования возможное влияние внешних факторов было учтено в исходных данных. Вопросы основ радиосвязи подробно рассматриваются в соответствующем онлайн-курсе, доступном на портале Академии "Инфинет".

Влияние параметров конфигурации будет рассмотрено далее, в рамках данного документа. В статье рассматриваются несколько аппаратных платформ "Инфинет", для каждой из которых будет приведён характерный для неё набор параметров, влияющих на производительность.

Факторы, определяющие характеристики канала

Модуляционно-кодовая схема

Выбранная модуляционно-кодовая схема для передачи данных определяет пропускную способность канала связи. Для подтверждения высказывания рассмотрим пример (см. рисунок 1).

Рассмотрим пример, в котором будем передавать шесть бит информации - "100111". В первом случае, для передачи информационной последовательности будем использовать модуляционно-кодовую схему QPSK 3/4, во втором - QAM16 1/2. В качестве помехоустойчивого кода используется код проверки на чётность.

На рисунке 1 представлены сигнальные созвездия для рассматриваемых видов модуляций - QPSK 3/4 и QAM16 1/2. Каждая из точек соответствует определённому значению амплитуды (A) и фазы (ф) сигнала, а каждому из этих сигналов поставлен в соответствие набор бит. Формируя сигнал с заданными значениями амплитуды и фазы, передаётся соответствующий набор данных, а совокупность всех сигналов (точек созвездия) называется разрешёнными состояниями. Чем больше число разрешённых состояний, тем больше бит может быть передано сигнальной посылкой с заданными характеристиками амплитуды и фазы.

При использовании модуляции QPSK 3/4 каждая информационная последовательность из трёх бит будет дополнена одним битом проверки на чётность, т.е. вместо исходной последовательности из шести бит будут переданы восемь бит - "10011111". Число разрешённых состояний сигнала для модуляции QPSK равно четырём (2²), поэтому одним сигналом в единицу времени (сигнальная посылка) можно передать два бита помехоустойчивой последовательности. Таким образом, для передачи восьми бит полученной последовательности потребуется четыре сигнальных посылки (8/2=4 сигнальных посылки).

Для модуляции QAM16 1/2 каждый информационный бит дополняется одним битом проверки на чётность - исходная последовательность из шести бит преобразуется в последовательность из 12 бит "110000111111". Число разрешённых состояний сигнала для модуляции QAM16 1/2 равно шестнадцати (2⁴), поэтому одним сигналом в единицу времени (сигнальная посылка) можно передавать четыре бита помехоустойчивой последовательности. Таким образом, для передачи двенадцати бит полученной последовательности потребуется три сигнальных посылки (12/4=3 сигнальных посылки).

Таким образом, шесть бит исходной информационной последовательности с помощью QPSK 3/4 были переданы за четыре временных интервала, а с помощью QAM16 1/2 - за три, свидетельствует о превосходстве модуляционно-кодовой схемы QAM16 1/2 в канальной и информационной скорости. Использование высоких модуляционно-кодовых схем позволяет повысить производительность канала связи, увеличив пропускную способность, однако, как это показано в онлайн-курсе, использование высоких модуляционно-кодовых схем возможно только для радиоканалов с большим энергетическим запасом.

В устройствах семейства InfiLINK 2x2, InfiMAN 2x2, InfiLINK Evolution и InfiMAN Evolution тип модуляционно-кодовой схемы выражен через битрейт, в устройствах семейства XG отображается MCS как таковая. В целях унификации и исключения путаницы, далее в документе будет использоваться индекс MCS (модуляционно-кодовая схема). Соответствие между индексом и модуляцией приведено в таблице ниже.

Таблица соответствия модуляционно-кодовой схемы и битрейта InfiLINK 2x2, InfiMAN 2x2

Таблица соответствия модуляционно-кодовой схемы и битрейта InfiLINK Evolution, InfiMAN Evolution

Таблица соответствия индекса и модуляционно-кодовой схемы InfiLINK XG/InfiLINK XG 1000

Таблица соответствия индекса и модуляционно-кодовой схемы Vector 5 и Vector 6

Таблица соответствия индекса и модуляционно-кодовой схемы Vector 70

Рисунок 1 - Влияние модуляционно-кодовой схемы на пропускную способность канала связи

Размер кадра

На практике в сети одновременно передаётся множество кадров различной длины, поэтому полезно оценить параметры качества канала связи, сгенерировав трафик, состоящий из кадров заданного размера. Тестирование производится для кадров размером от 64 до 1518 байт, что регламентируется протоколом Ethernet.

Для пояснения влияния размера кадра на полезную пропускную способность канала связи рассмотрим структуру кадра Ethernet (см. рисунок 2а). Кадр Ethernet состоит из двух служебных полей постоянной длины: заголовка (14 байт) и поля контрольной суммы (4 байт), и поля данных (46-1500 байт), т.е. общий размер кадра находится в диапазоне 64-1518 байт.

Рассмотрим задачу, в которой необходимо передать 1500 байт информации, поместив данные в Ethernet-кадры. Для этого будет использовать кадры различной длины: 1518 байт (рисунок 2б), 518 байт(рисунок 2в), 268 байт (рисунок 2г). Сводная информация о размерах служебных заголовков и его доле в потоке данных приведена в таблице ниже. Видно, что с уменьшением размера кадра затраты на передачу служебных заголовков существенно увеличивается, а доля полезных данных уменьшается.

Рисунок 2 - Структура Ethernet-кадра: а - общая структура, б - кадр с полем данных длиной 1500 байт, в - кадры с полями данных длиной 500 байт, г - кадры с полями данных длиной 250 байт

С уменьшением размера кадров увеличивается доля накладных расходов для служебных заголовков, регламентируемых требованиями протокола передачи данных, как это показано в таблице выше. Логичным решением по повышению эффективности передачи данных является использование кадров максимальной длины. Однако кадры меньшего размера быстрее обрабатываются сетевым оборудованием, что снижает время распространения кадра от источника к получателю. Для некоторых видов трафика время распространения является критичным. Для трафика реального времени, например голосового трафика, снижение размера кадра является вынужденным, потому что ключевым показателем качества канала связи в этом случае является не пропускная способность, а величина задержки. Следовательно данные должны отправляться как можно быстрее, более мелкими порциями.

В общем случае величина задержки зависит от:

• времени распространения радиосигнала (зависит от среды распространения);
• времени обработки кадра (зависит от пакетной производительности устройства);
• времени нахождения в очереди (зависит от уровня загрузки канала связи, величины буферов памяти устройства и конфигурации QoS).

Ширина частотного канала

При установке радиоканала между двумя устройствами, для них выбирается несущая частота F1, спектр которой представлен на рисунке 3а. Такой сигнал не несёт информации, поскольку его основные параметры (амплитуда, частота, фаза) известны и неизменны, т.е. можно предсказать состояние сигнала в любой из будущих периодов времени. Для того, чтобы радиосигнал стал носителем информации, его параметры изменяют в соответствии с потоком данных. Этот процесс называется модуляцией. В процессе модуляции изменяются основные параметры сигнала и преобразуется его спектр - теперь сигнал занимает определённую полосу частот ΔF (см. рисунок 3б).

Следует заметить, что ширина частотного канала влияет на доступный набор модуляционно-кодовых схем и, как следствие, на производительность канала. Таким образом, увеличение пропускной способности радиоканала может быть доступно с помощью расширения занимаемой полосы частот.

Рисунок 3 - Спектр сигнала: а - несущая частота, б - модулированный сигнал

Размер радиокадра

Для пояснения влияния размера радиокадра на параметры качества канала связи рассмотрим соединение двух устройств (XG или R5000 с прошивкой TDMA). Механизм передачи информации в радиосреде представлен ниже (см. рисунок 4). Подробное описание механизмов передачи данных при TDMA и Polling представлено в TDMA и Polling: особенности применения в беспроводных сетях. Под радиокадром понимается период времени, в рамках которого выполняется обслуживание сектором одного абонентского устройства. В течение одного радиокадра происходит обмен данными между двумя устройствами в нисходящем и восходящем потоках.

Аналогично кадрам Ethernet часть радиокадра отдана под служебные нужды. В частности, обязательными являются поле синхронизации и защитный интервал (guard interval), которые не зависят от размера радиокадра. Оставшееся время передаются полезные данные. Таким образом, аналогично кадрам Ethernet, большее значение длины радиокадра приведёт к более эффективной утилизации канала связи, однако вместе с этим увеличится величина задержки (следующий пакет данных может быть передан только в следующий интервал передачи, а чем больше длина радиокадра - тем больше время ожидания).

Рисунок 4 - Механизм передачи данных при TDMA и TDD

Дальность связи

Параметр "Максимальное расстояние" влияет на величину защитного интервала guard (см. рисунок 4), а значит на эффективность использования пропускной способности канала связи. Кроме того, фактическая дальность расположения абонентской станции влияет на время распространения радиосигнала в среде.

Число абонентских станций

Дополним рисунок из раздела "Длительность радиокадра", добавив ещё два абонентских устройства (см. рисунок 5).

Время ожидания передачи пропорционально числу абонентских станций, т.к. для обмена данными с каждой станцией выделяется временной интервал, равный длине радиокадра. Таким образом, величина задержки зависит от числа активных абонентов.

Рисунок 5 - Механизм передачи данных при TDMA для трёх абонентских станций

Набор фирменных параметров

Опция Greenfield

Опция Greenfield устанавливается как на устройствах Master, так и на Slave и отвечает за включение оптимизации служебной информации, передаваемой через радиоканал. Оптимизация позволяет существенно снизить объём служебной информации и улучшить производительность на 10-15% за счёт увеличения объёма полезных данных в радиокадре.

Опция VBR

Опция VBR (variable bitrate - переменный битрейт) устанавливается на ведомом устройстве и позволяет повысить эффективность при передаче служебных данных. При отключенной опции VBR служебные поля сообщений Sync передаются с использованием минимальной модуляционно-кодовой схемы. При активации VBR, поля Sync будут передаваться на модуляционно-кодовой схеме выше минимальной, если есть такая возможность. Это позволит передать синхропоследовательность быстрее, что снизит долю служебных сообщений в общем времени передачи и повысит производительность канала связи.

Опция VBR доступна только на устройствах семейств InfiLINK 2x2, InfiMAN 2x2 с ПО, поддерживающим технологию TDMA, и на устройствах семейств InfiLINK Evolution, InfiMAN Evolution.