git.oblomov.eu Git - linux-2.6/blob - net/mac80211/rc80211_pid_algo.c

   1 /*
   2  * Copyright 2002-2005, Instant802 Networks, Inc.
   3  * Copyright 2005, Devicescape Software, Inc.
   4  * Copyright 2007, Mattias Nissler <mattias.nissler@gmx.de>
   5  * Copyright 2007-2008, Stefano Brivio <stefano.brivio@polimi.it>
   6  *
   7  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   8  * it under the terms of the GNU General Public License version 2 as
   9  * published by the Free Software Foundation.
  10  */
  11
  12 #include <linux/netdevice.h>
  13 #include <linux/types.h>
  14 #include <linux/skbuff.h>
  15 #include <linux/debugfs.h>
  16 #include <net/mac80211.h>
  17 #include "rate.h"
  18 #include "mesh.h"
  19 #include "rc80211_pid.h"
  20
  21
  22 /* This is an implementation of a TX rate control algorithm that uses a PID
  23  * controller. Given a target failed frames rate, the controller decides about
  24  * TX rate changes to meet the target failed frames rate.
  25  *
  26  * The controller basically computes the following:
  27  *
  28  * adj = CP * err + CI * err_avg + CD * (err - last_err) * (1 + sharpening)
  29  *
  30  * where
  31  *      adj     adjustment value that is used to switch TX rate (see below)
  32  *      err     current error: target vs. current failed frames percentage
  33  *      last_err        last error
  34  *      err_avg average (i.e. poor man's integral) of recent errors
  35  *      sharpening      non-zero when fast response is needed (i.e. right after
  36  *                      association or no frames sent for a long time), heading
  37  *                      to zero over time
  38  *      CP      Proportional coefficient
  39  *      CI      Integral coefficient
  40  *      CD      Derivative coefficient
  41  *
  42  * CP, CI, CD are subject to careful tuning.
  43  *
  44  * The integral component uses a exponential moving average approach instead of
  45  * an actual sliding window. The advantage is that we don't need to keep an
  46  * array of the last N error values and computation is easier.
  47  *
  48  * Once we have the adj value, we map it to a rate by means of a learning
  49  * algorithm. This algorithm keeps the state of the percentual failed frames
  50  * difference between rates. The behaviour of the lowest available rate is kept
  51  * as a reference value, and every time we switch between two rates, we compute
  52  * the difference between the failed frames each rate exhibited. By doing so,
  53  * we compare behaviours which different rates exhibited in adjacent timeslices,
  54  * thus the comparison is minimally affected by external conditions. This
  55  * difference gets propagated to the whole set of measurements, so that the
  56  * reference is always the same. Periodically, we normalize this set so that
  57  * recent events weigh the most. By comparing the adj value with this set, we
  58  * avoid pejorative switches to lower rates and allow for switches to higher
  59  * rates if they behaved well.
  60  *
  61  * Note that for the computations we use a fixed-point representation to avoid
  62  * floating point arithmetic. Hence, all values are shifted left by
  63  * RC_PID_ARITH_SHIFT.
  64  */
  65
  66
  67 /* Adjust the rate while ensuring that we won't switch to a lower rate if it
  68  * exhibited a worse failed frames behaviour and we'll choose the highest rate
  69  * whose failed frames behaviour is not worse than the one of the original rate
  70  * target. While at it, check that the new rate is valid. */
  71 static void rate_control_pid_adjust_rate(struct ieee80211_local *local,
  72                                          struct sta_info *sta, int adj,
  73                                          struct rc_pid_rateinfo *rinfo)
  74 {
  75         struct ieee80211_sub_if_data *sdata;
  76         struct ieee80211_supported_band *sband;
  77         int cur_sorted, new_sorted, probe, tmp, n_bitrates, band;
  78         int cur = sta->txrate_idx;
  79
  80         sdata = sta->sdata;
  81         sband = local->hw.wiphy->bands[local->hw.conf.channel->band];
  82         band = sband->band;
  83         n_bitrates = sband->n_bitrates;
  84
  85         /* Map passed arguments to sorted values. */
  86         cur_sorted = rinfo[cur].rev_index;
  87         new_sorted = cur_sorted + adj;
  88
  89         /* Check limits. */
  90         if (new_sorted < 0)
  91                 new_sorted = rinfo[0].rev_index;
  92         else if (new_sorted >= n_bitrates)
  93                 new_sorted = rinfo[n_bitrates - 1].rev_index;
  94
  95         tmp = new_sorted;
  96
  97         if (adj < 0) {
  98                 /* Ensure that the rate decrease isn't disadvantageous. */
  99                 for (probe = cur_sorted; probe >= new_sorted; probe--)
 100                         if (rinfo[probe].diff <= rinfo[cur_sorted].diff &&
 101                             rate_supported(sta, band, rinfo[probe].index))
 102                                 tmp = probe;
 103         } else {
 104                 /* Look for rate increase with zero (or below) cost. */
 105                 for (probe = new_sorted + 1; probe < n_bitrates; probe++)
 106                         if (rinfo[probe].diff <= rinfo[new_sorted].diff &&
 107                             rate_supported(sta, band, rinfo[probe].index))
 108                                 tmp = probe;
 109         }
 110
 111         /* Fit the rate found to the nearest supported rate. */
 112         do {
 113                 if (rate_supported(sta, band, rinfo[tmp].index)) {
 114                         sta->txrate_idx = rinfo[tmp].index;
 115                         break;
 116                 }
 117                 if (adj < 0)
 118                         tmp--;
 119                 else
 120                         tmp++;
 121         } while (tmp < n_bitrates && tmp >= 0);
 122
 123 #ifdef CONFIG_MAC80211_DEBUGFS
 124         rate_control_pid_event_rate_change(
 125                 &((struct rc_pid_sta_info *)sta->rate_ctrl_priv)->events,
 126                 sta->txrate_idx, sband->bitrates[sta->txrate_idx].bitrate);
 127 #endif
 128 }
 129
 130 /* Normalize the failed frames per-rate differences. */
 131 static void rate_control_pid_normalize(struct rc_pid_info *pinfo, int l)
 132 {
 133         int i, norm_offset = pinfo->norm_offset;
 134         struct rc_pid_rateinfo *r = pinfo->rinfo;
 135
 136         if (r[0].diff > norm_offset)
 137                 r[0].diff -= norm_offset;
 138         else if (r[0].diff < -norm_offset)
 139                 r[0].diff += norm_offset;
 140         for (i = 0; i < l - 1; i++)
 141                 if (r[i + 1].diff > r[i].diff + norm_offset)
 142                         r[i + 1].diff -= norm_offset;
 143                 else if (r[i + 1].diff <= r[i].diff)
 144                         r[i + 1].diff += norm_offset;
 145 }
 146
 147 static void rate_control_pid_sample(struct rc_pid_info *pinfo,
 148                                     struct ieee80211_local *local,
 149                                     struct sta_info *sta)
 150 {
 151         struct ieee80211_sub_if_data *sdata = sta->sdata;
 152         struct rc_pid_sta_info *spinfo = sta->rate_ctrl_priv;
 153         struct rc_pid_rateinfo *rinfo = pinfo->rinfo;
 154         struct ieee80211_supported_band *sband;
 155         u32 pf;
 156         s32 err_avg;
 157         u32 err_prop;
 158         u32 err_int;
 159         u32 err_der;
 160         int adj, i, j, tmp;
 161         unsigned long period;
 162
 163         sband = local->hw.wiphy->bands[local->hw.conf.channel->band];
 164         spinfo = sta->rate_ctrl_priv;
 165
 166         /* In case nothing happened during the previous control interval, turn
 167          * the sharpening factor on. */
 168         period = (HZ * pinfo->sampling_period + 500) / 1000;
 169         if (!period)
 170                 period = 1;
 171         if (jiffies - spinfo->last_sample > 2 * period)
 172                 spinfo->sharp_cnt = pinfo->sharpen_duration;
 173
 174         spinfo->last_sample = jiffies;
 175
 176         /* This should never happen, but in case, we assume the old sample is
 177          * still a good measurement and copy it. */
 178         if (unlikely(spinfo->tx_num_xmit == 0))
 179                 pf = spinfo->last_pf;
 180         else {
 181                 pf = spinfo->tx_num_failed * 100 / spinfo->tx_num_xmit;
 182                 if (ieee80211_vif_is_mesh(&sdata->vif) && pf == 100)
 183                         mesh_plink_broken(sta);
 184                 pf <<= RC_PID_ARITH_SHIFT;
 185                 sta->fail_avg = ((pf + (spinfo->last_pf << 3)) / 9)
 186                                         >> RC_PID_ARITH_SHIFT;
 187         }
 188
 189         spinfo->tx_num_xmit = 0;
 190         spinfo->tx_num_failed = 0;
 191
 192         /* If we just switched rate, update the rate behaviour info. */
 193         if (pinfo->oldrate != sta->txrate_idx) {
 194
 195                 i = rinfo[pinfo->oldrate].rev_index;
 196                 j = rinfo[sta->txrate_idx].rev_index;
 197
 198                 tmp = (pf - spinfo->last_pf);
 199                 tmp = RC_PID_DO_ARITH_RIGHT_SHIFT(tmp, RC_PID_ARITH_SHIFT);
 200
 201                 rinfo[j].diff = rinfo[i].diff + tmp;
 202                 pinfo->oldrate = sta->txrate_idx;
 203         }
 204         rate_control_pid_normalize(pinfo, sband->n_bitrates);
 205
 206         /* Compute the proportional, integral and derivative errors. */
 207         err_prop = (pinfo->target << RC_PID_ARITH_SHIFT) - pf;
 208
 209         err_avg = spinfo->err_avg_sc >> pinfo->smoothing_shift;
 210         spinfo->err_avg_sc = spinfo->err_avg_sc - err_avg + err_prop;
 211         err_int = spinfo->err_avg_sc >> pinfo->smoothing_shift;
 212
 213         err_der = (pf - spinfo->last_pf) *
 214                   (1 + pinfo->sharpen_factor * spinfo->sharp_cnt);
 215         spinfo->last_pf = pf;
 216         if (spinfo->sharp_cnt)
 217                         spinfo->sharp_cnt--;
 218
 219 #ifdef CONFIG_MAC80211_DEBUGFS
 220         rate_control_pid_event_pf_sample(&spinfo->events, pf, err_prop, err_int,
 221                                          err_der);
 222 #endif
 223
 224         /* Compute the controller output. */
 225         adj = (err_prop * pinfo->coeff_p + err_int * pinfo->coeff_i
 226               + err_der * pinfo->coeff_d);
 227         adj = RC_PID_DO_ARITH_RIGHT_SHIFT(adj, 2 * RC_PID_ARITH_SHIFT);
 228
 229         /* Change rate. */
 230         if (adj)
 231                 rate_control_pid_adjust_rate(local, sta, adj, rinfo);
 232 }
 233
 234 static void rate_control_pid_tx_status(void *priv, struct net_device *dev,
 235                                        struct sk_buff *skb)
 236 {
 237         struct ieee80211_local *local = wdev_priv(dev->ieee80211_ptr);
 238         struct ieee80211_hdr *hdr = (struct ieee80211_hdr *) skb->data;
 239         struct ieee80211_sub_if_data *sdata;
 240         struct rc_pid_info *pinfo = priv;
 241         struct sta_info *sta;
 242         struct rc_pid_sta_info *spinfo;
 243         unsigned long period;
 244         struct ieee80211_supported_band *sband;
 245         struct ieee80211_tx_info *info = IEEE80211_SKB_CB(skb);
 246
 247         rcu_read_lock();
 248
 249         sta = sta_info_get(local, hdr->addr1);
 250         sband = local->hw.wiphy->bands[local->hw.conf.channel->band];
 251
 252         if (!sta)
 253                 goto unlock;
 254
 255         /* Don't update the state if we're not controlling the rate. */
 256         sdata = sta->sdata;
 257         if (sdata->force_unicast_rateidx > -1) {
 258                 sta->txrate_idx = sdata->max_ratectrl_rateidx;
 259                 goto unlock;
 260         }
 261
 262         /* Ignore all frames that were sent with a different rate than the rate
 263          * we currently advise mac80211 to use. */
 264         if (info->tx_rate_idx != sta->txrate_idx)
 265                 goto unlock;
 266
 267         spinfo = sta->rate_ctrl_priv;
 268         spinfo->tx_num_xmit++;
 269
 270 #ifdef CONFIG_MAC80211_DEBUGFS
 271         rate_control_pid_event_tx_status(&spinfo->events, info);
 272 #endif
 273
 274         /* We count frames that totally failed to be transmitted as two bad
 275          * frames, those that made it out but had some retries as one good and
 276          * one bad frame. */
 277         if (info->status.excessive_retries) {
 278                 spinfo->tx_num_failed += 2;
 279                 spinfo->tx_num_xmit++;
 280         } else if (info->status.retry_count) {
 281                 spinfo->tx_num_failed++;
 282                 spinfo->tx_num_xmit++;
 283         }
 284
 285         if (info->status.excessive_retries) {
 286                 sta->tx_retry_failed++;
 287                 sta->tx_num_consecutive_failures++;
 288                 sta->tx_num_mpdu_fail++;
 289         } else {
 290                 sta->tx_num_consecutive_failures = 0;
 291                 sta->tx_num_mpdu_ok++;
 292         }
 293         sta->tx_retry_count += info->status.retry_count;
 294         sta->tx_num_mpdu_fail += info->status.retry_count;
 295
 296         /* Update PID controller state. */
 297         period = (HZ * pinfo->sampling_period + 500) / 1000;
 298         if (!period)
 299                 period = 1;
 300         if (time_after(jiffies, spinfo->last_sample + period))
 301                 rate_control_pid_sample(pinfo, local, sta);
 302
 303  unlock:
 304         rcu_read_unlock();
 305 }
 306
 307 static void rate_control_pid_get_rate(void *priv, struct net_device *dev,
 308                                       struct ieee80211_supported_band *sband,
 309                                       struct sk_buff *skb,
 310                                       struct rate_selection *sel)
 311 {
 312         struct ieee80211_local *local = wdev_priv(dev->ieee80211_ptr);
 313         struct ieee80211_hdr *hdr = (struct ieee80211_hdr *) skb->data;
 314         struct ieee80211_sub_if_data *sdata;
 315         struct sta_info *sta;
 316         int rateidx;
 317         u16 fc;
 318
 319         rcu_read_lock();
 320
 321         sta = sta_info_get(local, hdr->addr1);
 322
 323         /* Send management frames and broadcast/multicast data using lowest
 324          * rate. */
 325         fc = le16_to_cpu(hdr->frame_control);
 326         if ((fc & IEEE80211_FCTL_FTYPE) != IEEE80211_FTYPE_DATA ||
 327             is_multicast_ether_addr(hdr->addr1) || !sta) {
 328                 sel->rate_idx = rate_lowest_index(local, sband, sta);
 329                 rcu_read_unlock();
 330                 return;
 331         }
 332
 333         /* If a forced rate is in effect, select it. */
 334         sdata = IEEE80211_DEV_TO_SUB_IF(dev);
 335         if (sdata->force_unicast_rateidx > -1)
 336                 sta->txrate_idx = sdata->force_unicast_rateidx;
 337
 338         rateidx = sta->txrate_idx;
 339
 340         if (rateidx >= sband->n_bitrates)
 341                 rateidx = sband->n_bitrates - 1;
 342
 343         sta->last_txrate_idx = rateidx;
 344
 345         rcu_read_unlock();
 346
 347         sel->rate_idx = rateidx;
 348
 349 #ifdef CONFIG_MAC80211_DEBUGFS
 350         rate_control_pid_event_tx_rate(
 351                 &((struct rc_pid_sta_info *) sta->rate_ctrl_priv)->events,
 352                 rateidx, sband->bitrates[rateidx].bitrate);
 353 #endif
 354 }
 355
 356 static void rate_control_pid_rate_init(void *priv, void *priv_sta,
 357                                           struct ieee80211_local *local,
 358                                           struct sta_info *sta)
 359 {
 360         /* TODO: This routine should consider using RSSI from previous packets
 361          * as we need to have IEEE 802.1X auth succeed immediately after assoc..
 362          * Until that method is implemented, we will use the lowest supported
 363          * rate as a workaround. */
 364         struct ieee80211_supported_band *sband;
 365
 366         sband = local->hw.wiphy->bands[local->hw.conf.channel->band];
 367         sta->txrate_idx = rate_lowest_index(local, sband, sta);
 368         sta->fail_avg = 0;
 369 }
 370
 371 static void *rate_control_pid_alloc(struct ieee80211_local *local)
 372 {
 373         struct rc_pid_info *pinfo;
 374         struct rc_pid_rateinfo *rinfo;
 375         struct ieee80211_supported_band *sband;
 376         int i, j, tmp;
 377         bool s;
 378 #ifdef CONFIG_MAC80211_DEBUGFS
 379         struct rc_pid_debugfs_entries *de;
 380 #endif
 381
 382         sband = local->hw.wiphy->bands[local->hw.conf.channel->band];
 383
 384         pinfo = kmalloc(sizeof(*pinfo), GFP_ATOMIC);
 385         if (!pinfo)
 386                 return NULL;
 387
 388         /* We can safely assume that sband won't change unless we get
 389          * reinitialized. */
 390         rinfo = kmalloc(sizeof(*rinfo) * sband->n_bitrates, GFP_ATOMIC);
 391         if (!rinfo) {
 392                 kfree(pinfo);
 393                 return NULL;
 394         }
 395
 396         pinfo->target = RC_PID_TARGET_PF;
 397         pinfo->sampling_period = RC_PID_INTERVAL;
 398         pinfo->coeff_p = RC_PID_COEFF_P;
 399         pinfo->coeff_i = RC_PID_COEFF_I;
 400         pinfo->coeff_d = RC_PID_COEFF_D;
 401         pinfo->smoothing_shift = RC_PID_SMOOTHING_SHIFT;
 402         pinfo->sharpen_factor = RC_PID_SHARPENING_FACTOR;
 403         pinfo->sharpen_duration = RC_PID_SHARPENING_DURATION;
 404         pinfo->norm_offset = RC_PID_NORM_OFFSET;
 405         pinfo->rinfo = rinfo;
 406         pinfo->oldrate = 0;
 407
 408         /* Sort the rates. This is optimized for the most common case (i.e.
 409          * almost-sorted CCK+OFDM rates). Kind of bubble-sort with reversed
 410          * mapping too. */
 411         for (i = 0; i < sband->n_bitrates; i++) {
 412                 rinfo[i].index = i;
 413                 rinfo[i].rev_index = i;
 414                 if (RC_PID_FAST_START)
 415                         rinfo[i].diff = 0;
 416                 else
 417                         rinfo[i].diff = i * pinfo->norm_offset;
 418         }
 419         for (i = 1; i < sband->n_bitrates; i++) {
 420                 s = 0;
 421                 for (j = 0; j < sband->n_bitrates - i; j++)
 422                         if (unlikely(sband->bitrates[rinfo[j].index].bitrate >
 423                                      sband->bitrates[rinfo[j + 1].index].bitrate)) {
 424                                 tmp = rinfo[j].index;
 425                                 rinfo[j].index = rinfo[j + 1].index;
 426                                 rinfo[j + 1].index = tmp;
 427                                 rinfo[rinfo[j].index].rev_index = j;
 428                                 rinfo[rinfo[j + 1].index].rev_index = j + 1;
 429                                 s = 1;
 430                         }
 431                 if (!s)
 432                         break;
 433         }
 434
 435 #ifdef CONFIG_MAC80211_DEBUGFS
 436         de = &pinfo->dentries;
 437         de->dir = debugfs_create_dir("rc80211_pid",
 438                                      local->hw.wiphy->debugfsdir);
 439         de->target = debugfs_create_u32("target_pf", S_IRUSR | S_IWUSR,
 440                                         de->dir, &pinfo->target);
 441         de->sampling_period = debugfs_create_u32("sampling_period",
 442                                                  S_IRUSR | S_IWUSR, de->dir,
 443                                                  &pinfo->sampling_period);
 444         de->coeff_p = debugfs_create_u32("coeff_p", S_IRUSR | S_IWUSR,
 445                                          de->dir, &pinfo->coeff_p);
 446         de->coeff_i = debugfs_create_u32("coeff_i", S_IRUSR | S_IWUSR,
 447                                          de->dir, &pinfo->coeff_i);
 448         de->coeff_d = debugfs_create_u32("coeff_d", S_IRUSR | S_IWUSR,
 449                                          de->dir, &pinfo->coeff_d);
 450         de->smoothing_shift = debugfs_create_u32("smoothing_shift",
 451                                                  S_IRUSR | S_IWUSR, de->dir,
 452                                                  &pinfo->smoothing_shift);
 453         de->sharpen_factor = debugfs_create_u32("sharpen_factor",
 454                                                S_IRUSR | S_IWUSR, de->dir,
 455                                                &pinfo->sharpen_factor);
 456         de->sharpen_duration = debugfs_create_u32("sharpen_duration",
 457                                                   S_IRUSR | S_IWUSR, de->dir,
 458                                                   &pinfo->sharpen_duration);
 459         de->norm_offset = debugfs_create_u32("norm_offset",
 460                                              S_IRUSR | S_IWUSR, de->dir,
 461                                              &pinfo->norm_offset);
 462 #endif
 463
 464         return pinfo;
 465 }
 466
 467 static void rate_control_pid_free(void *priv)
 468 {
 469         struct rc_pid_info *pinfo = priv;
 470 #ifdef CONFIG_MAC80211_DEBUGFS
 471         struct rc_pid_debugfs_entries *de = &pinfo->dentries;
 472
 473         debugfs_remove(de->norm_offset);
 474         debugfs_remove(de->sharpen_duration);
 475         debugfs_remove(de->sharpen_factor);
 476         debugfs_remove(de->smoothing_shift);
 477         debugfs_remove(de->coeff_d);
 478         debugfs_remove(de->coeff_i);
 479         debugfs_remove(de->coeff_p);
 480         debugfs_remove(de->sampling_period);
 481         debugfs_remove(de->target);
 482         debugfs_remove(de->dir);
 483 #endif
 484
 485         kfree(pinfo->rinfo);
 486         kfree(pinfo);
 487 }
 488
 489 static void rate_control_pid_clear(void *priv)
 490 {
 491 }
 492
 493 static void *rate_control_pid_alloc_sta(void *priv, gfp_t gfp)
 494 {
 495         struct rc_pid_sta_info *spinfo;
 496
 497         spinfo = kzalloc(sizeof(*spinfo), gfp);
 498         if (spinfo == NULL)
 499                 return NULL;
 500
 501         spinfo->last_sample = jiffies;
 502
 503 #ifdef CONFIG_MAC80211_DEBUGFS
 504         spin_lock_init(&spinfo->events.lock);
 505         init_waitqueue_head(&spinfo->events.waitqueue);
 506 #endif
 507
 508         return spinfo;
 509 }
 510
 511 static void rate_control_pid_free_sta(void *priv, void *priv_sta)
 512 {
 513         struct rc_pid_sta_info *spinfo = priv_sta;
 514         kfree(spinfo);
 515 }
 516
 517 static struct rate_control_ops mac80211_rcpid = {
 518         .name = "pid",
 519         .tx_status = rate_control_pid_tx_status,
 520         .get_rate = rate_control_pid_get_rate,
 521         .rate_init = rate_control_pid_rate_init,
 522         .clear = rate_control_pid_clear,
 523         .alloc = rate_control_pid_alloc,
 524         .free = rate_control_pid_free,
 525         .alloc_sta = rate_control_pid_alloc_sta,
 526         .free_sta = rate_control_pid_free_sta,
 527 #ifdef CONFIG_MAC80211_DEBUGFS
 528         .add_sta_debugfs = rate_control_pid_add_sta_debugfs,
 529         .remove_sta_debugfs = rate_control_pid_remove_sta_debugfs,
 530 #endif
 531 };
 532
 533 int __init rc80211_pid_init(void)
 534 {
 535         return ieee80211_rate_control_register(&mac80211_rcpid);
 536 }
 537
 538 void rc80211_pid_exit(void)
 539 {
 540         ieee80211_rate_control_unregister(&mac80211_rcpid);
 541 }