A Wi-Fi egy „engedély nélküli” spektrumot használ, amelyet bármely olyan eszköz vagy hálózat használhat, amely megfelel az FCC átviteli szabályainak. Az elmúlt években a mobilszolgáltatók is elkezdték használni ezt a spektrumot.
A Chicagói Egyetem kutatói szerint a hálózatok közötti verseny csökkenti a teljesítményt.
Ha a szolgáltatás lelassul, amikor gyors e-mailt próbál küldeni okostelefonján, lapozhat a hálózati beállítások között, és megtudhatja, hány Wi-Fi hálózat van. Valójában ez a rengeteg lehetőség maga a probléma. Ezek a hálózatok versenyeznek egymással, korlátozva a működési sebességet.
A Chicagói Egyetem kutatói bebizonyították, hogy ez a megnövekedett hálózati verseny milyen negatív hatással lehet a mindennapi felhasználók internetes szolgáltatásaira.
A hálózatok közötti verseny akkor keletkezik, ha megosztott spektrumsávokon vagy elektromágneses hullámok frekvenciatartományán működnek. Konkrétan, a Wi-Fi olyan spektrumot használ, amely „nem licencelt”, vagyis bármely eszköz vagy hálózat használhatja ezt a spektrumot, amennyiben betartanak bizonyos, a Szövetségi Kommunikációs Bizottság (FCC) által előírt átviteli szabályokat.
„Az engedély nélküli spektrum szó szerint mindenki számára ingyenes; bárki használhatja, az FCC által meghatározott határokon belül” – magyarázta Monisha Ghosh, a Chicagói Egyetem Számítástechnikai Tanszékének társult tagja és a Pritzker School of Molecular Engineering kutatóprofesszora.
A mobiltelefon-szolgáltatás többnyire egy teljesen külön spektrumsávra támaszkodik, amelyet a szolgáltatók spektrumaukciókon keresztül licencelnek az FCC-től, bár ez eltolódott a mobil adatok iránti növekvő kereslet és a korlátozott sávszélesség miatt.
Amikor egy mobilszolgáltató, például a T-Mobile vagy az AT&T, licencel egy spektrumsávot az FCC-től, fenntartja annak kizárólagos használatát. Ennek eredményeként a licencelt sávokon működő hálózatok csekély interferenciát tapasztalnak. Ez lehetővé teszi a szolgáltatók számára, hogy gyors és megbízható szolgáltatást hozzanak létre, de ennek költsége van.
Az ehhez hasonló LAA állomások az UChicago campuson lehetővé teszik a mobilszolgáltatók számára, hogy hozzáférjenek ugyanazokhoz a megosztott spektrumsávokhoz, amelyeket a Wi-Fi-hez használnak. Köszönet: A fotó Monisha Ghosh jóvoltából
"Az elmúlt öt évben a mobil világban nőtt a felhasználók száma és a szükséges adatok mennyisége" - mondta Ghosh. "A mobilszolgáltatók kezdték kifogyni a spektrumból, és a licencelt spektrum milliárdokba kerül."
A sávszélesség javítása érdekében ezek a szolgáltatók a mobilhálózatokon keresztül is elkezdték használni a licenc nélküli spektrumot a licencelt asszisztált hozzáférés (LAA) móddal, amely ugyanazokon a sávokon működik, mint a Wi-Fi. A Ghosh csoportja annak megvizsgálását tűzte ki célul, hogy a licenc nélküli spektrum megosztott használata, az úgynevezett együttélés milyen hatással volt a Wi-Fi és a mobil felhasználókra.
„Valójában találtunk egy LAA állomást az UChicago campuson, a könyvesbolt előtti oszlopon, és ebben a külső űrkampuszban Wi-Fi is használatban van” – mondta Ghosh. "Ez kísérleti platformot biztosított a hátsó udvarunkban, ezért elkezdtük a méréseket."
A könyvesbolt előtt egy padon ülve, Muhammad Rochman informatikus végzős hallgató és Vanlin Sathya posztdoktori kutató felállított öt laptopot és okostelefont, és ezekkel fértek hozzá a helyi Wi-Fi hálózatokhoz, vagy csatlakoztak az LAA-hoz mobil adatok segítségével. Különböző típusú adatokhoz is hozzáfértek, hogy változtassanak ezeken a hálózatokon az igényektől, az alacsonytól (például egy webhelyen található szöveg elérése) a magasig (videó streamelése). Minden eszközt felszereltek olyan alkalmazásokkal, amelyek lehetővé tették a csoport számára az egyes hálózati kapcsolatok minőségének mérését.
Több hálózat egyidejű elérésével a csoport úgy találta, hogy a verseny csökkenti a teljesítményt – csökkenti a továbbított adatok mennyiségét, az átvitel sebességét és a jel minőségét.
"Ha mindenki egyszerre kezdi használni a spektrumot, az interferenciát okoz, és senkinek az információja nem jut át."
- Kutatás Prof. Monisha Ghosh
Ez a verseny különösen a Wi-Fi-re volt káros. Amikor az LAA is aktív volt, a Wi-Fi felhasználók által továbbított adatok 97%-ra csökkentek. Ezzel szemben az LAA adatok csak 35%-os csökkenést mutattak, amikor Wi-Fi is volt használatban.
Ghosh kifejtette, hogy a Wi-Fi és az LAA közötti inkompatibilitás részben annak tudható be, hogy mindegyik különböző protokollt alkalmaz a nagy internetes forgalom kezelésére.
"Ha mindenki egyszerre kezdi el használni a spektrumot, az interferenciát okoz, és senkinek az információja nem jut át" - mondta Ghosh. "A Wi-Fi és a mobilhálózat azonban nagyon eltérő mechanizmusokat fejlesztett ki ennek a problémának a kezelésére."
Mivel a Wi-Fi kizárólag a licenc nélküli spektrumoktól függ, a kiszámíthatatlan igényekre szabott protokollt használ. Ez a „hallgasd meg beszéd előtt” protokoll az udvarias bulizók csoportjának interakcióit utánozza. A résztvevők hallgatnak, és megvárják, amíg a beszélgetés egy rése megszólal. Ha két ember egyszerre kezd el beszélgetni, az egyik udvariasan meghátrál, hogy a másik beszéljen, majd beszól. Hasonlóképpen, ha több Wi-Fi-felhasználó próbál meg egyszerre hozzáférni a hálózathoz, mindegyikhez rövid várakozási idő van hozzárendelve, és a várakozási idők közötti véletlenszerűség csökkenti az ütközés valószínűségét.
Muhammad Rochman végzős hallgató több eszközt használ a helyi Wi-Fi hálózatok és az LAA teljesítményének tesztelésére. Köszönet: A fotó Monisha Ghosh jóvoltából
Ezzel szemben a mobilszolgáltatók megjósolhatják a keresletet a mobil hozzáférés alapján, és így minden felhasználóhoz hozzárendelhetnek egy meghatározott átviteli időt. Így az LAA-felhasználók jobban hasonlítanak egy szorosan ütemezett kollokvium előadóira, mint egy kötetlen partira.
Ez a protokollkülönbség nem jelentett problémát, amikor a mobilszolgáltatókat a licencelt spektrumokra korlátozták, de ahogy áttértek a licenc nélküli spektrumokra, az LAA által alkalmazott csatorna-hozzáférési paraméterek megnehezítik a Wi-Fi-felhasználók számára, hogy egyenlő hozzáférést kapjanak a médiához. Annak ellenére, hogy az LAA a közelmúltban módosította a cellás sávokban alkalmazott szűk ütemezést a beszéd előtti figyelés megvalósítása érdekében, továbbra is eltérő paraméterekkel működik. Az egyik lényeges különbség az, hogy az egyes rendszerek mennyi ideig tartják az adathordozót, miután hozzáférést kapnak: az LAA legfeljebb 10 ezredmásodpercig képes sugározni, míg a Wi-Fi átvitel legfeljebb 4 ezredmásodpercig tart.
A verseny a megosztott spektrumban nemcsak a Wi-Fi és a mobilszolgáltatók között zajlik, hanem az egyes hálózattípusokon belül is.
„Kísérleteink során a Wi-Fi/Wi-Fi együttélést hasonlítjuk össze a Wi-Fi/LAA együttéléssel” – mondta Ghosh. „A Wi-Fi/Wi-Fi együttélés nem rossz a beszéd előtti meghallgatás eljárás miatt, ezért ezt a méltányosság mércéjeként használtuk. De a Wi-Fi/LAA rosszabbul viselkedik, és meglepődtünk, hogy mennyivel rosszabbul.”
A jövőbeni tanulmányok során azt is reméli, hogy megvizsgálja, hogyan versenyeznek egymással a különböző mobilszolgáltatók által biztosított LAA-hálózatok.
Ezen túlmenően Ghosh tanácsot adott a szabályozó ügynökségeknek, hogyan lehet jobban összehangolni a hálózati protokollokat kutatásai alapján.
„Ezek a változások jobb együttélést és jobb megosztási mechanizmusokat eredményeztek. De még hosszú az út” – mondta.
Hivatkozás: Vanlin Sathya, Muhammad Iqbal Rochman és Monisha Ghosh „Rejtett csomópontok az együttélő LAA-ban és Wi-Fi-ben: valós telepítések mérési tanulmánya”.
PDF
A kutatást 18. június 2021-án mutatták be az IEEE International Conference on Communications (ICC 2021) spektrummegosztási workshopján.
