Nội dung

Lê Khánh Dƣơng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 116 (02): 85 - 89 NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA CHUẨN IEEE 802.11e BẰNG CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN CỬA SỔ TRANH CHẤP Lê Khánh Dƣơng*, Lê Tuấn Anh Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Chuẩn IEEE 802.11e đƣợc đề xuất cho mạng không dây để đảm bảo các yêu cầu về chất lƣợng dịch vụ (QoS). Nó bao gồm nhiều cải tiến phƣơng thức điều khiển truy cập môi trƣờng truyền tại tầng MAC có ƣu tiên đối với các luồng dữ liệu khác nhau. Trong chuẩn này chia các luồng dữ liệu vào bốn cấp độ truy cập (AC) với độ ƣu tiên khác nhau, mỗi AC sử dụng một hàng đợi với các tham số truy cập môi trƣờng truyền khác nhau. Trong bài báo này chúng tôi đề xuất cơ chế điều khiển cửa sổ tranh chấp nhằm tránh việc xung đột giữa các luồng cùng một trạm hoặc giữa các trạm với nhau khi cùng tranh chấp đƣờng truyền trong mạng không dây, nâng cao QoS cho các kênh truyền không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.11e. Từ khóa: Chất lượng dịch vụ, IEEE 802.11e, EDCA, Cửa sổ tranh chấp, Cấp độ truy cập GIỚI THIỆU* Một mạng không dây di động phi cấu trúc đa phƣơng tiện là một mạng Ad hoc với các nút là các thiết bị di động vừa là nút nguồn, nút đích vừa là nút chuyển giao. Đặc điểm của mạng này là các nút có năng lực xử lý hạn chế, tài nguyên và nguồn năng lƣợng nhỏ. Vấn đề đặt ra khi các dữ liệu đa phƣơng tiện truyền đi trong mạng này đòi hỏi vừa đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trên hạ tầng mạng có cấu trúc thay đổi liên tục trong thời gian thực vừa đảm bảo các yêu cầu của các ứng dụng tƣơng ứng. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một thuật toán điều chỉnh cửa sổ tranh chấp (Contention Window-CW) của mạng không dây IEEE 802.11e (của cơ chế truy cập kênh truyền EDCA) trong truyền dữ liệu đa phƣơng tiện. Chúng tôi tập trung nghiên cứu việc phân chia các luồng dữ liệu ƣu tiên theo 04 cấp độ truy cập (AC). Mỗi dịch vụ đƣợc gán với một AC nhất định, và mức độ ƣu tiên của các AC phân biệt qua các tham số truy cập môi trƣờng truyền khác nhau: AIFS – Khoảng thời gian lắng nghe môi trƣờng truyền rỗi trƣớc khi truyền gói tin tiếp theo hoặc khởi động thuật toán quay lui backoff. * Tel: 0982 500747, Email: lkduong@ictu.edu.vn CWmin, CWmax - Kích thƣớc cận dƣới và cận trên của cửa sổ tranh chấp sử dụng cho thuật toán quay lui backoff. TXOP Limit - Giới hạn của TXOP, là khoảng thời gian truyền tối đa sau khi giành đƣợc quyền truyền thông. Trong đó hai tham số CWmin, CWmax đã đƣợc biết đến trong một số nghiên cứu [1, 2, 4] nhằm nâng cao hiệu năng mạng không dây truyền dữ liệu đa phƣơng tiện, các tác giả điều chỉnh các giá trị này theo từng điều kiện mô phỏng cụ thể và rút trích các tham số hiệu năng để so sánh. Các phần tiếp theo của bài báo sẽ trình bày chi tiết hơn, trong đó: phần 2 sẽ trình bày về cơ chế truy cập môi trƣờng truyền phân tán IEEE 802.11e EDCA; đƣa ra thuật toán điều khiển cửa sổ tranh chấp dựa trên kích thƣớc hàng đợi ƣu tiên luồng voice (AC[VO]) và cuối cùng là kết luận. QOS TRONG CHUẨN IEEE 802.11E Chuẩn IEEE 802.11e là một chuẩn mở rộng của chuẩn gốc IEEE 802.11. Nó định nghĩa một tập các cải tiến nhằm nâng cao chất lƣợng dịch vụ cho mạng không dây. Trọng tâm các cải tiến của chuẩn này là phân tách các luồng ƣu tiên khác nhau với các tham số truy cập môi trƣờng truyền tại tầng MAC. 85 Lê Khánh Dƣơng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 116 (02): 85 - 89 trình truyền dữ liệu. Có 8 giá trị ƣu tiên khác nhau tƣơng ứng ác giá trị từ 0 đến 7. Cơ chế EDCA định nghĩa các AC với các tham số cụ thể nhƣ: CW, AIFS và TXOPLimit tại tầng MAC. Khi các luồng dữ liệu từ tầngtrên xuống tới tầng MAC, dựa vào giá trị ƣu tiên của nó để ánh xạ vào một AC tƣơng ứng nhƣ trong hình 1. Hình 1. Các AC trong chuẩn IEEE 802.11e Trong chuẩn IEEE 802.11e định nghĩa một hàm phối hợp gọi là Hybrid Coordination Function (HCF). HCF bao gồm hai cơ chế truy cập kênh truyền có điều khiển ở trung tâm và phân tán giống nhƣ DCF và PCF trong chuẩn gốc IEEE 802.11. Cơ chế truy cập kênh truyền phân tán dựa trên xung đột của HCF gọi là Enhanced Distributed Channel Access (EDCA), và Cơ chế truy cập kênh truyền điều khiển trung tâm dựa trên cạnh tranh tự do gọi là HCF Controlled Channel Access (HCCA). Cơ chế IEEE 802.11e EDCA EDCA định nghĩa 4 loại AC khác nhau cho 4 kiểu truyền dữ liệu và mỗi dịch vụ đƣợc gán cho một AC nhất định với các tham số truy cập môi trƣờng truyền khác nhau. Các frame dữ liệu đƣợc ánh xạ vào các AC tƣơng ứng với các hàng đợi QoS. Bốn loại AC này là AC[BK], AC[BE], AC[VI] và AC[VO] (tƣơng ứng lần lƣợt là AC[3], AC[2], AC[1], AC[0]). Trong đó AC[BK] có độ ƣu tiên thấp nhất, AC[VO] có độ ƣu tiên cao nhất. Mỗi frame từ tầng trên khi đến tầng MAC với một giá trị ƣu tiên tƣơng ứng, dựa vào giá trị ƣu tiên này để phân loại luồng frame trong quá 86 Trong EDCA gán các AC có độ ƣu tiên cao với CWmin, Cwmax, AIFS nhỏ hơn, TXOPLimit lớn hơn để tăng cơ hội truyền thành công. Nếu một AC[i] (i = 0, 1, 2, 3) có AIFS hoặc (CWmin, CWmax) nhỏ hơn thì nó có độ ƣu tiên cao hơn [4]. Ngoài ra, mỗi khi một frame dữ liệu nào đó truyền không thành công thì giá trị cửa sổ tranh chấp CW sẽ đƣợc tăng lên theo công thức sau: CWnew[i] = ((CWold + 1) * pf[i]) 1; [7] trong đó pf[i] (persistence factor) là một tham số ƣu tiên của từng AC. IEEE 802.11e EDCA xác định một khoảng thời gian mà trong đó một trạm cụ thể có thể truyền gọi là cơ hội truyền TXOPLimit. Trong thời gian này cho phép nhiều frame dữ liệu từ cùng một AC đƣợc truyền liên tục, AC có độ ƣu tiên cao thì có thời gian TXOPLimit dài hơn so với TXOPLimit của AC có độ ƣu tiên thấp hơn, vì vậy các tham số đƣợc thiết lập cho cơ chế này sẽ xác định sự khác biệt trong truyền lƣu lƣợng trong thực tế do đó việc thay đổi các tham số này cũng có thể làm tăng hiệu năng của mạng, bảng 1 trình bày giá trị các tham số theo từng AC. Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng phần mềm mô phỏng hiệu năng mạng Network Simulator 2 (NS-2) và gói hỗ trợ cơ chế IEEE Lê Khánh Dƣơng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 116 (02): 85 - 89 802.11e EDCA [7]. Kịch bản mô phỏng gồm các nút di động trong phạm vi cảm nhận sóng mang của nhau. Mỗi nút sẽ gửi các luồng dữ liệu âm thanh (voice) 64Kb/s, và luồng video 400kb/s. Sơ đồ mạng mô phỏng giống nhƣ trong [8]. Cặp giá trị của (CWmin[VO], CWmax[VO]) thay đổi theo từng lần chạy mô phỏng. trên một tham số đặc trƣng cho số lƣợng các luồng voice tham gia truyền thông, cụ thể ở đây là dựa trên kích thƣớc hiện thời của hàng đợi voice AC[VO] tại tầng MAC để quyết định giá trị tƣơng ứng của cặp giá trị của hàng đợi dành cho video (CWmin[VI], CWmax[VI]). Trong thực tế, việc các nút mạng không dây chuẩn IEEE 802.11e tham gia vào quá trình truyền các luồng dữ liệu đa phƣơng tiện có sự phân biệt ƣu tiên, chúng tôi nhận thấy trong trƣờng hợp số nút và số luồng voice chiếm tỷ lệ ít hơn so với luồng video và các luồng có độ ƣu tiên thấp hơn khác thì hai giá trị (CWmin[VI], CWmax[VI]) dao động trong khoảng từ (7,15) đến (15,31) hoặc (127,255) [1] vẫn đảm bảo thông lƣợng cao cho toàn mạng vì khi số lƣợng các luồng voice ít thì việc hai giá trị (CWmin[VI], CWmax[VI]) của các luồng video có gần với giá trị của luồng voice (CWmin[VO], CWmax[V0]) (bảng 1) cũng không ảnh hƣởng nhiều đến thông lƣợng toàn mạng. Tuy nhiên, nếu số lƣợng luồng voice lớn thì các giá trị (CWmin[VI], CWmax[VI]) càng xa giá trị của (CWmin[VO], CWmax[VO]) càng đảm bảo các luồng video tránh tranh chấp với luồng voice. Giá trị (CWmin[VI], CWmax[VI]) khuyến cáo theo [1] là (255,511) hoặc (511,1023). Chúng tôi đề xuất thuật toán sau dựa trên kích thƣớc hàng đợi ƣu tiên dành cho luồng voice, cụ thể là của AC[VO] tại tầng MAC để quyết định giá trị cận dƣới và cận trên của cửa sổ tranh chấp của luồng video AC[VI] có độ ƣu tiên thấp hơn. Thuật toán điều khiển cửa sổ tranh chấp động Kích thƣớc hàng đợi là qSize= 50 (packet), ta sử dụng hai giá trị ngƣỡng để làm mốc so sánh là threshold_low=10 và threshold_high=40. Gọi qlen(AC[0]) là kích thƣớc hiện thời hàng đợi của AC[VO] ta có: Khi một frame của video đến if(qlen(AC[0]) <= threshold_low) /*trong trường hợp này số luồng Voice ít, ta có thể cho các luồng Video có CWmin,Cwmax gần giá trị của luồng voice để tận dụng băng thông và tăng thông lượng mạng.*/ (CWmin[1],CWmax[1])= (7, 5); else if(qlen(AC[0]) < qSize/2){ (CWmin[1],CWmax[1])= (15, 31); } elseif(qlen(AC[0])threshold_high){ (CWmin[1],CWmax[1])=(511,1023); } Hình 2: Biểu đồ thông lượng trong các trường hợp cặp giá trị (CWmin[VI], CWmax[VI]) thay đổi. Dựa trên những đánh giá và kết quả của [1,2,3,5] chúng tôi đề xuất việc điều chỉnh cặp giá trị (CWmin[VI], CWmax[VI]) dựa Khi đó các hàm tính lại kích thƣớc cửa sổ tranh chấp mới khi một frame dữ liệu đƣợc truyền thành công: CWnew[i]=min(CWmax[i],((CWold+1)* pf[i])-1), i=0,1,2,3. Chúng tôi sử dụng sơ đồ mạng nhƣ trong hình 3. Kịch bản sử dụng 02 nút mạng không dây 87 Lê Khánh Dƣơng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ sử dụng chuẩn IEEE 802.11e truyền dữ liệu, nút 0 là nút truyền các luồng dữ liệu đa phƣơng tiện, nút 1 là nút nhận, nút 1 nằm trong phạm vi truyền dữ liệu của nút 0. thông dữ liệu voice, video lớn dựa trên hai thông số hiệu năng cơ bản là độ trễ, thông lƣợng trung bình toàn mạng. TÀI LIỆU THAM KHẢO KẾT LUẬN 0 1 Hình 3. Sơ đồ mạng của kịch bản mô phỏng. Giải pháp này là phù hợp với xu hƣớng nghiên cứu dựa trên việc cải tiến liên tầng đối với vấn đề chất lƣợng dịch vụ trong mạng không dây phi cấu trúc và đảm bảo đƣợc việc nhận biết nâng cao chất lƣợng dịch vụ truyền dữ liệu đa phƣơng tiện. Cơ chế điều khiển cận trên và cận dƣới của cửa sổ tranh chấp theo số lƣợng các frame dữ liệu luồng voice trong hàng đợi vừa đảm bảo nâng cao thông lƣợng của toàn mạng, hạn chế xung đột giữa các luồng tại tầng MAC vừa đảm bảo tận dụng băng thông mạng. Đây là cơ chế điều khiển động dựa trên kích thƣớc hiện thời của hàng đợi voice tại tầng MAC, nó khác biệt cơ bản so với chuẩn IEEE 802.11e ban đầu khi cố định các giá trị này (bảng 1) trong suốt quá trình truyền thông của các nút mạng. Giải pháp này cần đƣợc cài đặt đánh giá trong trƣờng hợp số luồng và số nút tham gia truyền 88 116 (02): 85 - 89 1. Hicham Touil, Youssef Fakhri, Mohammed Benattou, (2013) “Contention Window MAC Parameters Tyning for Wireless Multimedia Sensor Networks”, IEEE Communications Magazine. 2. Ksentini, A., Naimi, M., and Gueroui, A.; (2006) “Toward an improvement of H.264 video transmission over IEEE 802.11e through a crosslayer architecture,” IEEE Communications Magazine, Jan. 3. C-H. Lin, C-H. Ke, C-K.Shieh, N.K. Chilamkurti, S.Zeadally, (2008) “A Novel Cross-Layer Architecture for MPEG-4 Video Stream over IEEE 802.11e Wireless Network,” In Special Issue of International Journal of Telecommunications System. 4. Rathnakar Achary, V. Vaityanathan, Pethur Raj Chellaih, Nagarajan Srinivasan, (2012) “A new QoS architecture for performance enhancement of IEEE 802.11e EDCA by Contention Window Adaption”, IEEE. 5. Samer El Housseini, Hussein Alnuweiri, (2005) “Adaptive Contention-Window MAC Algorithms for QoS-Enabled Wireless LANs”, IEEE. 6. Fakhar Uddin Ahmed, Shikhar Kr. Sarma, (2013) “QoS and Admission Controller in IEEE 802.11e WLAN”, IEEE. 7.http://www.tkn.tu-berlin.de/research/802.11e_ns2 8. H. Touil, Y. Fakhri, M. Benattou (2012). “Energy-efficient MAC protocol based on IEEE 802.11e for Wireless Multimedia Sensor Networks.” 3th International Conference on Multimedia Computing and Systems (ICMCS), pp.53-58, May 10-12. Lê Khánh Dƣơng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 116 (02): 85 - 89 SUMMARY ENHANCEMENT OF PERFORMANCE IN IEEE 802.11E BY CONTENTION WINDOW TUNING Le Khanh Dƣơng*, Le Tuan Anh College of Information and Communication Technology - TNU IEEE 802.11e standard is proposed for wireless networks to satisfy the requirements of quality of service (QoS). It includes many improved access control method based medium-priority MAC floor for the different data streams. In this standard divide the data stream into four access categories (AC) with different priorities, each AC uses a queue to access parameter of different media environment. In this article we propose mechanisms control window dispute to avoid conflicts between the same stations or flows between stations when the dispute together in a wireless network connection, Advanced QoS for channels wireless IEEE 802.11e. Keywords: Quality of Service, IEEE 802.11e standard, Enhanced Distributed Channel Access, Contention Window, Access categories. Ngày nhận bài:25/01/2014; Ngày phản biện:10/02/2014; Ngày duyệt đăng: 26/02/2014 Phản biện khoa học:TS. Phùng Trung Nghĩa – Trường ĐH Công nghệ Thông tin & Truyền thông - ĐHTN * Tel: 0982 500747, Email: lkduong@ictu.edu.vn 89