Performance analysis of wireless computer networks in conditions of high interference intensity

Abstract

EN: Context. The decrease in the probability of successful frame transmission in the infrastructure domain of IEEE 802.11 DCF wireless network is caused both by the influence of the collision intensity and by the impact of external interference in the radio path. Using the Markov chain approach as a baseline, we explicitly expressed the dependence of the network throughput on the number of operating stations, bit error rate (BER), and the frame fragmentation factor. Objective. The purpose of this article is to study the influence of interference intensity on the throughput of a wireless network domain in a wide range of the number of operating stations when transmitting frames of various lengths in the absence and with the use of the fragmentation mechanism. Method. The performed mathematical modelling showed, that in the range of increased and high noise intensity (BER = 10–5 – 10–4), a decrease in the length of the frame data field from the standard length of 12000 bits to 3000 bits is accompanied by a decrease in the throughput for all values of the number of competing stations. At the same time, it must be noted that as the amount of the frame data decreases, the throughput becomes less susceptible to an increase in the noise intensity. Qualitatively different results are obtained in the region of very high interference intensity (BER = 2·10–4). A significant increase in the probability of frame transmission in this region observed with a decrease in the standard length of the frame data field by 2–3 times, made it possible to increase the throughput compared to the original one. This effect is especially pronounced when the length is halved. Results. The study of the standard frame transmitting process, but with a fragmented data field, showed that if for BER = 5·10–5 and less with an increase in fragmentation factor, the throughput values decrease, in the entire range of the number of stations due to the predominant increase in overhead costs, then in the region of high (BER = 10–4) and very high noise intensity (BER = 2·10–4) we have the opposite effect. To the greatest extent, the throughput increases when the frame data is transmitted in two equal fragments. We have made a comparison of the network throughput determined by simply reducing the length of the frame data field and using fragmentation of a standard frame. The comparison showed that the use of the fragmentation mechanism is more beneficial both when throughput is stabilized under conditions of increased noise intensity and when the throughput is increased under conditions of high and very high noise intensity. Conclusions. In this article, a mathematical model has been modified for direct calculation of the wireless network throughput. Using this model, we studied the changes in throughput over a wide range of BER and a number of operation stations for various values of the transmitted frame fragmentation factor. The conditions for increasing the throughput are determined. UK: Актуальність. Зниження імовірності успішної передачі фрейму в інфраструктурному домені бездротової мережі стандарту IEEE 802.11 DCF обумовлено як впливом інтенсивності колізій так і дією зовнішніх завад у радіоканалі. Використовуючи в якості базового підходу той, що, заснований на використанні Марківських ланцюгів, ми в явній аналітичній формі виразили залежність пропускної здатності мережі від кількості працюючих станцій, швидкості бітових помилок (BER) і коефіцієнта фрагментації фрейму. Мета роботи. Метою даної статті є дослідження впливу інтенсивності шуму на величину пропускної здатності домену бездротової мережі в широкому діапазоні кількості працюючих станцій, під час передачі фреймів різної довжини за відсутності та із застосуванням механізму фрагментації. Метод. Математичне моделювання показало, що в діапазоні підвищеної та високої інтенсивності шуму (BER = 10–5 – 10–4), зменшення довжини поля даних фрейму, що передається, від стандартних 12000 біт до 3000 біт супроводжується зниженням пропускної здатності для будь-якої кількості конкуруючих станцій. Одночасно з цим слід відмітити, що пропускна здатність стає менш сприятливою до збільшення інтенсивності шуму. В області дуже високої інтенсивності завад (BER = 2·10–4) одержані результати, які якісно відрізняються. Значне збільшення імовірності передачі фрейму в цій області, яке спостерігається зі зменшенням стандартної довжини поля даних в 2–3 рази, дозволило підвищити пропускну здатність порівняно з початковою. Цей ефект є особливо вираженим у випадку, коли довжина зменшується вдвічі. Результати. Дослідження процесу передачі фрейму стандартного розміру але з фрагментованим полем даних показало, що для BER ≤ 5·10–5 зі збільшенням коефіцієнту фрагментації значення пропускної здатності знижуються на всьому діапазоні кількості працюючих станцій переважно за рахунок впливу зростання накладних втрат. Однак в області високої (BER = 10–4) і надвисокої (BER = 2·10–4) інтенсивності шуму ми маємо зворотний ефект. Найбільше зростання пропускної здатності спостерігається, коли дані фрейму передаються двома рівними фрагментами. Ми провели порівняння пропускної здатності мережі, визначеної при простому зменшенні довжини поля даних фрейму і для передачі фрейму з даними стандартної довжини, розділеними на декілька фрагментів. Порівняння показало, що використання механізму фрагментації є більш вигідним як при стабілізації пропускної здатності в умовах підвищеної інтенсивності шуму, так і при збільшенні пропускної здатності в умовах високої і надвисокої інтенсивності шуму. Висновки. У даній статті була модифікована математична модель, що дозволяє безпосередньо обчислювати пропускну здатність бездротової мережі. Використовуючи цю модель, ми дослідили зміну пропускної здатності в широкому діапазоні BER і кількості працюючих станцій, для різних значень коефіцієнта фрагментації фрейму, що передається. Визначено умови підвищення пропускної здатності.