Контроль ошибок

При распространении сигналов через воздушную среду некоторые биты могут быть получены с ошибками. Их вызывают шум и помехи в месте развертывания беспроводной сети. Поэтому плата интерфейса беспроводной сети использует механизмы контроля ошибок, позволяющие выявить и исправить ошибки, возникающие при передаче символов.

Шум, обусловленный излучением солнца и различными устройствами, приводит к искажению сигналов, распространяющихся в беспроводных сетях; этот шум постоянен. Но уровень шума (noise floor) часто бывает достаточно низким, поэтому приемные устройства оказываются в состоянии выделить из него информационные сигналы. При передаче на большие расстояния вследствие затухания уровень информационного сигнала может снизиться до уровня, сравнимого с уровнем шума, и тогда происходят ошибки в приеме двоичных разрядов.

Шум, вызывающий изменение значений битов при передаче информации в беспроводной сети, обычно бывает гауссовым и/иди вызывается импульсными помехами. Теоретически амплитуда гауссова шума одна и та же во всем спектре частот, а ошибки происходят независимо одна от другой. Наиболее вреден импульсный шум, характеризующийся длинными интервалами его отсутствия, после которых появляется шумовой сигнал высокой амплитуды.. Такой шум возникает по естественным причинам (например, из-за молний), а также генерируется рукотворными устройствами. Именно импульсный шум вызывает появление большинства ошибок в цифровых системах связи, причем ошибок, зависимых одна от другой и следующих группами. Такое искажение сигналов получило название "пакет ошибок".

Методы контроля ошибок позволяют значительно снизить их число при передаче. Ошибки в передаче отдельных разрядов чисел по-прежнему происходят при распространении фреймов данных через воздушную среду, но механизмы контроля ошибок исправляют их. Поэтому для высокоуровневых протоколов и пользователей передача информации через среду представляется происходящей как бы без ошибок. Используются в основном два метода контроля ошибок: автоматический запрос на повторение (automatic repetition query, ARQ) и прямое исправление ошибок (forward error correction, FEC). При применении механизма ARQ, функционирующего на канальном уровне, принимающая сигнал плата интерфейса беспроводной сети выявляет ошибки и использует цепь обратной связи, чтобы послать передающей сигнал плате интерфейса беспроводной сети, передающей сигнал, запрос на повторную передачу фреймов, полученных с ошибками. Возможны два основных события, которые должны произойти, чтобы могла быть осуществлена. коррекция ошибок механизмом ARQ. Во-первых, принятый фрейм должен быть проверен приемником на предмет возможных ошибок, а во-вторых, отправитель должен быть уведомлен о необходимости повторной передачи фреймов, принятых с ошибками.

В некоторых протоколах, таких как 802.11, получатель посылает отправителю подтверждение, если принятый фрейм не содержит ошибок. Не получив такого подтверждения, отправитель должен послать фрейм повторно. Существует два подхода к повторной передаче неудовлетворительных блоков:
• ARQ по типу "остановиться и ждать";
• непрерывный ARQ.

ARQ по типу "остановиться и ждать"

При способе передачи "остановиться и ждать" передающая плата интерфейса сети передает блок данных, затем останавливает передачу и ждет от принимающей платы интерфейса сети подтверждение, был ли конкретный фрейм принят или нет. Если передающая сторона получает отрицательное подтверждение, предыдущий фрейм передается повторно. При получении положительного подтверждения передающая плата интерфейса сети отправляет следующий фрейм. Эта форма контроля ошибок применяется в устройствах стандарта 802.11.

Одним из преимуществ метода ARQ по типу "остановиться и ждать" является то, что при его использовании не требуется много памяти для приемной или передающей платы интерфейса сети. Исходящий фрейм запоминается только на стороне отправителя (на случай его повторной передачи). С другой стороны, этот метод неэффективен, если задержка на распространение между отправителем и получателем становится слишком большой. Например, данные, передаваемые по спутниковому каналу связи, обычно имеют задержку, связанную с подтверждением приема, порядка нескольких сотен микросекунд. Следовательно, для поддержания разумной эффективности передачи данных приходится использовать блоки большого объема. Проблема в том, что с увеличением объема данных растет и вероятность появления ошибки в каждом блоке, т.е. чем чаще происходит повторная передача, тем ниже результирующая производительность.

Непрерывный ARQ

Одним из способов повышения пропускной способности протяженных каналов является метод непрерывного ARQ. Передатчик посылает блоки данных непрерывно, до тех пор пока приемная плата интерфейса сети не обнаружит ошибку. Обычно передающая плата интерфейса сети передает определенное количество фреймов, при этом она регистрирует, какие именно фреймы передала. Если на приемной стороне обнаруживается дефектный блок, она посылает сигнал передающей плате интерфейса сети с запросом на передачу такого фрейма. Когда получатель посылает сигнал с требованием повторной передачи определенного фрейма, несколько последующих фреймов могут оказаться уже переданными из-за задержки на распространение между отправителем и получателем.

Передающая плата интерфейса сети может повторно передавать фреймы при использовании непрерывного ARQ по-разному. Один из вариантов таков: отправитель извлекает ошибочный фрейм из памяти передатчика и повторно пересылает его, а также все последующие фреймы. Этот метод называется "возврат на эн" (go-back-n), и он может оказаться эффективнее, чем метод ARQ "остановиться и ждать", поскольку обеспечивает более действенное использование полосы пропускания канала. Проблема возникает в том случае, если п — число фреймов, которые передатчик посылает после ошибочного фрейма, плюс один — становится большим, метод теряет свою эффективность. Это обусловлено тем, что при повторной передаче только одного ошибочного фрейма приходится пересылать и остальные, переданные без ошибок, из-за чего снижается производительность.

Мбтод "возврат на эн" хорош для приложений, когда приемник имеет память небольшого объема, потому что все, что необходимо — это окно на прием единичного размера (т.е. способность запоминать один фрейм), поскольку предполагается, что фреймы не придется располагать по порядку. Когда приемная плата интерфейса сети отбрасывает фрейм с ошибками — посылает отрицательное подтверждение, ей не приходится в ожидании повторной передачи запоминать последующие фреймы для возможного изменения их порядка, поскольку они также будут переданы повторно. Альтернативой методу непрерывной передачи с "возвратом на эн" является метод, при котором селективно осуществляется повторная передача только ошибочного фрейма и возобновление нормальной передачи с момента, непосредственно предшествующего получению уведомления о плохом блоке данных. Это — подход селективного повторения, который производительнее, чем метод "возврат на эн", поскольку передающая плата интерфейса сети повторно пересылает только ошибочный блок данных. Однако приемник должен быть в состоянии запоминать несколько фреймов данных, если их необходимо обрабатывать в определенном порядке. Приемник буферизирует данные, полученные после того как был отправлен запрос на повторную передачу ошибочного фрейма, и делает это до тех пор, пока поврежденный фрейм не будет передан повторно.

Все типы автоматического запроса на повторение основаны на выявлении ошибок и повторной передаче данных. В общем случае ARQ — наилучший способ коррекции пакетов ошибок, поскольку искажения такого типа обычно накладываются на небольшую долю фреймов и многочисленные повторные передачи выполнять не приходится. Так как ARQ-протоколам изначально присуща обратная связь, используются полудуплексные (half-duplex) или полнодуплексные (full-duplex) линии связи — ведь связь при использовании методов ARQ осуществляется в двух направлениях. Если доступны только симплексные (simplex) линии связи, методы ARQ использовать невозможно, поскольку приемник не сможет сообщить передающей плате интерфейса сети об ошибочных блоках данных.

При использовании метода FEC, альтернативного по отношению к ARQ, приемной платой интерфейса сети автоматически осуществляется исправление максимально возможной доли ошибок, возникающих при передаче данных на физическом уровне, без обращения к передающей плате интерфейса сети. Это возможно, поскольку передающая плата интерфейса сети включает в передаваемые данные достаточное число избыточных битов на случай, если некоторые из них будут утеряны изза ошибок. Метод FEC удобен для линий симплексной связи и в случаях, когда затруднена передача данных в обратном направлении (в сторону передающей платы интерфейса сети).

Рассмотрим вариант беспроводной передачи данных для управления космическим зондом, выведенным на орбиту Плутона. За время, пока передающая плата интерфейса сети получит отрицательное подтверждение от зонда и его достигнут повторно переданные данные, зонд скорее всего потерпит аварию, причина чего в слишком большой задержке распространения. Большинство беспроводных сетей развернуты на Земле, но задержки распространения и здесь могут оказаться достаточно большими для того, чтобы метод FEC оказался неприемлемым.

Хотя способность метода FEC исправлять ошибки без обращения к передающей плата интерфейса сети кажется весьма привлекательной, более распространенным методом контроля ошибок остается ARQ. Это обусловлено в основном тем, что ошибки обычно объединяются в кластеры, поскольку вызываются импульсным шумом. Из-за этого приходится корректировать большое число ошибок, а это метод FEC выполнить не в состоянии без значительного увеличения уровня избыточности.

Во многих системах связи используется комбинация методов FEC и ARQ. В этом случае устройства физического уровня пытаются исправить небольшое число ошибок и тем самым избежать необходимости повторной передачи данных. Если по методу FEC удается исправить все ошибки, механизм ARQ не задействуется для повторной передачи фрейма данных. Если ошибок слишком много, в игру вступает ARQ и отправитель повторно посылает такой фрейм.