Entwurf und Implementierung eines Systems zur präzisen Messung und Charakterisierung der Latenz von WiFi-Links

Abstract

Allgegenwärtige Konnektivität hat die Gewohnheiten der Menschen drastisch verändert und eine Vielzahl neuartiger Anwendungen sowohl in Industrie als auch bei Privatnutzern ermöglicht. Bereits heute läuft ein großer Anteil der Kommunikation über das Internet über den Standard IEEE 802.11, besser bekannt unter dem Markennamen WiFi. Die aufkommenden Anwendungen cyber-physischer Systeme in der Industrie, aber auch AR/VR-Anwendungen oder Onlinespiele für Privatnutzer erfordern dabei eine deterministische Güte der Übertragung. Während sich die Datenrate über WiFi seit Einführung des ersten Standards stark erhöht hat, bleibt eine zuverlässige Beschränkung der Latenz eine offene Herausforderung. Daher besteht die Notwendigkeit, Latenz und Jitter präzise messen und charakterisieren zu können. Da Sender und Empfänger keine gemeinsame Uhr besitzen, gestaltet sich die präzise Erfassung der Latenz einer Übertragungsrichtung bislang schwierig. In dieser Arbeit wird ein System entworfen und implementiert, welches mithilfe einer drahtgebundenen Verbindung der GPIO-Pins von Mikrocontrollern als Sender und Empfänger die Messung der Latenzen mit einer Uhr ermöglicht und das Erstellen von Messungen so deutlich vereinfacht. So können Latenz und Jitter der Kommunikation über einen WiFi-Link präzise erfasst und charakterisiert werden. Mithilfe des entworfenen Systems wird die Charakteristik der Übertragung über einen WiFi-Link in realer Umgebung evaluiert. Insbesondere wird dabei die Verbesserung der Charakteristik bei Verwendung von Enhanced Distributed Channel Access (EDCA), sowie des Time-Aware Shapers (TAS) zur Reduktion der Latenzvarianz analysiert. Durch EDCA kann eine Verringerung der maximalen Latenz erzielt werden; mit Einsatz des TAS zur Kompensation der variablen Paketverzögerung wird eine sehr hohe Zuverlässigkeit erzielt. Zuletzt wird die Latenz der Übertragung durch Scheduling mehrerer Stationen deutlich reduziert.