Problem z ukrytym węzłem

W jednym ze scenariuszy Stacja A może komunikować się ze Stacją B. Stacja C może również komunikować się z Punktem Dostępu Stacja B. Jednak Stacje A i C nie mogą się ze sobą komunikować, ponieważ znajdują się poza zasięgiem, a zatem zaczynają nadawać jednocześnie uniemożliwienie B otrzymywania wiadomości przeznaczonych dla niego.

W sieciach bezprzewodowych problem z ukrytym węzłem lub problem z ukrytym terminalem występuje, gdy węzeł może komunikować się z bezprzewodowym punktem dostępowym (AP), ale nie może bezpośrednio komunikować się z innymi węzłami komunikującymi się z tym punktem dostępowym. Prowadzi to do trudności w kontroli dostępu do medium, ponieważ wiele węzłów może jednocześnie wysyłać pakiety danych do punktu dostępowego, co powoduje zakłócenia w punkcie dostępowym, w wyniku czego żaden pakiet nie przechodzi.

Chociaż pewna utrata pakietów jest normalna w sieciach bezprzewodowych, a wyższe warstwy wysyłają je ponownie, jeśli jeden z węzłów przesyła wiele dużych pakietów przez długi czas, drugi węzeł może uzyskać bardzo mało dobrej przepustowości .

Istnieją praktyczne rozwiązania protokołów problemu ukrytego węzła. Na przykład żądania wysłania/wyczyszczenia wysłania (RTS/CTS), w których węzły wysyłają krótkie pakiety w celu uzyskania pozwolenia punktu dostępowego na wysyłanie dłuższych pakietów danych. Ponieważ odpowiedzi z punktu dostępowego są widoczne dla wszystkich węzłów, węzły mogą synchronizować swoje transmisje, aby nie przeszkadzać. Jednak mechanizm wprowadza opóźnienie , a narzut często może być większy niż koszt, szczególnie w przypadku krótkich pakietów danych.

Tło

Ukryte węzły w sieci bezprzewodowej to węzły, które znajdują się poza zasięgiem innych węzłów lub kolekcji węzłów. Rozważ fizyczną topologię gwiazdy z punktem dostępowym z wieloma węzłami otaczającymi go w sposób okrężny: każdy węzeł znajduje się w zasięgu komunikacji punktu dostępowego, ale węzły nie mogą się ze sobą komunikować.

Na przykład w sieci bezprzewodowej jest prawdopodobne, że węzeł znajdujący się na drugim końcu zasięgu punktu dostępowego, znany jako A , widzi punkt dostępowy, ale jest mało prawdopodobne, aby ten sam węzeł mógł komunikować się z węzłem na przeciwległy koniec zasięgu punktu dostępowego, C . Te węzły są znane jako ukryte .

Innym przykładem może być sytuacja, w której A i C znajdują się po obu stronach przeszkody, która odbija lub silnie pochłania fale radiowe, ale mimo to nadal widzą ten sam AP.

Problem polega na tym, że węzły A i C zaczynają jednocześnie wysyłać pakiety do punktu dostępowego B. Ponieważ węzły A i C nie mogą odbierać nawzajem swoich sygnałów, więc nie mogą wykryć kolizji przed lub podczas transmisji, wielokrotny dostęp z wyczuwaniem nośnika z wykrywaniem kolizji (CSMA/CD) nie działa i występują kolizje, które następnie powodują uszkodzenie otrzymanych danych przez punkt dostępowy.

w punkcie dostępowym zaimplementowano uzgadnianie żądania wysłania/czyszczenia wysłania (RTS/CTS) ( IEEE 802.11 RTS/CTS ) w połączeniu z wielodostępem wykrywania nośnej z unikaniem kolizji ( CSMA /CA ) schemat. Ten sam problem występuje w mobilnej sieci ad hoc ( MANET ).

IEEE 802.11 wykorzystuje pakiety potwierdzenia i uzgadniania 802.11 RTS/CTS , aby częściowo przezwyciężyć problem z ukrytym węzłem. RTS/CTS nie jest rozwiązaniem kompletnym i może jeszcze bardziej zmniejszyć przepustowość, ale pomocne mogą być również adaptacyjne potwierdzenia ze stacji bazowej.

Porównanie ze stacjami ukrytymi pokazuje, że pakiety RTS/CTS w każdej klasie ruchu są opłacalne (nawet przy krótkich ramkach audio, które powodują duży narzut na ramki RTS/CTS).

W środowisku eksperymentalnym uwzględniane są następujące klasy ruchu: dane (niekrytyczne czasowo), dane (krytyczne czasowo), wideo, audio. Przykłady oznaczeń: (0|0|0|2) oznacza 2 stacje audio; (1|1|2|0) oznacza 1 stację danych (niekrytyczną czasowo), 1 stację danych (krytyczną czasowo), 2 stacje wideo.

Benchmarki: przepustowość netto z/bez RTS/CTS (Pommer, s. 179)

Inne metody, które można zastosować do rozwiązania problemu z ukrytym węzłem, to:

Zwiększ moc nadawania z węzłów
Użyj anten dookólnych
Usuń przeszkody
Przenieś węzeł
Użyj oprogramowania do ulepszania protokołów
Użyj różnorodności anten

Rozwiązania

Zwiększenie mocy nadawania

Zwiększenie mocy transmisji węzłów może rozwiązać problem ukrytych węzłów, umożliwiając zwiększenie rozmiaru komórki wokół każdego węzła, obejmując wszystkie pozostałe węzły. Ta konfiguracja umożliwia nieukrytym węzłom wykrywanie lub słyszenie ukrytego węzła. Jeśli nieukryte węzły słyszą ukryty węzeł, ukryty węzeł nie jest już ukryty. Ponieważ bezprzewodowe sieci LAN używają CSMA/CA , węzły czekają na swoją kolej przed nawiązaniem komunikacji z punktem dostępowym .

To rozwiązanie działa tylko wtedy, gdy zwiększa się moc transmisji na węzłach, które są ukryte. W typowym przypadku WiFi zwiększenie mocy transmisji tylko w punkcie dostępowym nie rozwiąże problemu, ponieważ zazwyczaj ukrytymi węzłami są klienci (np. laptopy, urządzenia mobilne), a nie sam punkt dostępowy, a klienci nadal nie będą móc się słyszeć. Zwiększenie mocy transmisji w punkcie dostępowym może w rzeczywistości pogorszyć problem, ponieważ spowoduje umieszczenie nowych klientów w zasięgu punktu dostępowego, a tym samym dodanie nowych węzłów do sieci, które są ukryte przed innymi klientami.

Anteny dookólne

Ponieważ węzły korzystające z anten kierunkowych są prawie niewidoczne dla węzłów, które nie są ustawione w kierunku, w którym skierowana jest antena, anteny kierunkowe powinny być stosowane tylko w bardzo małych sieciach (np. dedykowanych połączeniach punkt-punkt ). Anten dookólnych należy używać w przypadku rozległych sieci składających się z więcej niż dwóch węzłów.

Usuwanie przeszkód

Zwiększenie mocy na węzłach mobilnych może nie zadziałać, jeśli na przykład powodem ukrycia jednego węzła jest betonowa lub stalowa ściana uniemożliwiająca komunikację z innymi węzłami. Wątpliwe, aby udało się usunąć taką przeszkodę, ale usunięcie przeszkody jest kolejnym sposobem rozwiązania problemu ukrytego węzła.

Przesuwanie węzła

Inną metodą rozwiązania problemu z ukrytymi węzłami jest przesunięcie węzłów tak, aby wszystkie mogły się słyszeć. Jeśli okaże się, że problem z ukrytym węzłem jest wynikiem przeniesienia komputera przez użytkownika do obszaru ukrytego przed innymi węzłami bezprzewodowymi, konieczne może być ponowne przeniesienie tego użytkownika. Alternatywą dla zmuszania użytkowników do przemieszczania się jest rozszerzenie bezprzewodowej sieci LAN w celu zapewnienia odpowiedniego pokrycia ukrytego obszaru, na przykład przy użyciu dodatkowych punktów dostępu.

Udoskonalenie protokołu

Istnieje kilka implementacji oprogramowania dodatkowych protokołów, które zasadniczo implementują strategię odpytywania lub przekazywania tokenów . Następnie urządzenie nadrzędne (zwykle punkt dostępowy) dynamicznie odpytuje klientów o dane. Klientom nie wolno przesyłać danych bez zaproszenia mistrza. Eliminuje to problem z ukrytymi węzłami kosztem zwiększonego opóźnienia i mniejszej maksymalnej przepustowości.

Wi-Fi IEEE 802.11 RTS/CTS to jeden z używanych protokołów uzgadniania. Klienci, którzy chcą wysłać dane, wysyłają ramkę RTS, a następnie punkt dostępowy wysyła ramkę CTS, gdy jest gotowy dla tego konkretnego węzła. W przypadku krótkich pakietów narzut jest dość duży, więc krótkie pakiety zwykle go nie używają, minimalny rozmiar jest ogólnie konfigurowalny.

Sieć komórkowa

W sieciach komórkowych problem węzłów ukrytych ma praktyczne rozwiązania poprzez multipleksowanie w dziedzinie czasu dla każdego danego klienta na maszcie i użycie zróżnicowanych przestrzennie nadajników, tak aby każdy węzeł był potencjalnie obsługiwany przez dowolny z trzech masztów, aby znacznie zminimalizować problemy z przeszkodami zakłócającymi propagację radiową .

Zobacz też

Linki zewnętrzne