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IEEE 802.11e における無線伝送速度の 変化に応じた最適な EDCA パラメータの設定. 早稲田大学理工学部 コンピュータ・ネットワーク工学科 後藤研究室 学部 4 年 1G06R156-6 野間敬太. 研究の背景・目的. IEEE 802.11e. 既存の無線 LAN 規格をベースに MAC 層に QoS 機能を追加する規格 優先度による QoS 制御方式 (2 種類 ) EDCA (Enhanced Distriuted Access) 自立分散制御に基づいた優先制御 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
IEEE 802.11e における無線伝送速度の変化に応じた最適な EDCA パラメータの
設定
早稲田大学理工学部コンピュータ・ネットワーク工学科
後藤研究室 学部 4 年1G06R156-6 野間敬太
2010/2/1 1卒業論文発表
研究の背景・目的
2010/2/1 2卒業論文発表
IEEE 802.11e
• 既存の無線 LAN 規格をベースに MAC 層にQoS 機能を追加する規格
• 優先度による QoS 制御方式 (2 種類 )– EDCA (Enhanced Distriuted Access)• 自立分散制御に基づいた優先制御
– HCCA (Hybrid Coordinator Function Controlled Channel Access)• アクセスポイントによるポーリングを用いた集中
制御
2010/2/1 卒業論文発表 3
EDCA
• CSMA/CA 方式を拡張したアクセス制御方式–送信を行う際に優先度に基づき優先制御
• 優先度の異なる4種類の AC (Access Category)
2010/2/1 卒業論文発表 4
アクセスカテゴリ 用途
AC_VO 音声通信AC_VI 映像通信AC_BE Best EffortAC_BK Background
EDCA (2)• 優先度ごとに設定される 3 種類のパラメータ– AIFS (Arbitration IFS)
フレームの送信間隔を表すパラメータ。値が小さいほど優先度は高い。
– CW (Contention Window)送信待ち時間を決定するための乱数用のパラメータ。
待ち時間=乱数値 × 一定時間乱数値は0~CWで生成される。
– TXOP (Transmission Opportunity)アクセス権を取得後、チャネルを排他的に使用できる時間を表す。
2010/2/1 5卒業論文発表
R 値
• VoIP (Voice over Internet Protocol) の通信品質の評価指標
• 音声品質クラス
2010/2/1 卒業論文発表 6
クラス R 値 遅延
クラス A 80 超 100ms 未満
クラス B 70 超 150ms 未満
クラス C 50 超 400ms 未満
実験シミュレーション開始後 15 秒で一つの端末( STA1) の無線伝送速度を 11Mbps→2Mpbs に変更。このときの STA1 の R 値を観測対象とする。
2010/2/1 7卒業論文発表
シミュレーション環境
・・・
・・・
+
映像300Kbps/ 本
有線端末6台 ( 音声 )
無線端末6台(音声)
有線端末1台 ( 映像 )
無線端末1台 ( 映像 )
無線伝送速度11Mbps
11Mbps2Mbps
11Mbps 11Mbps
通信への影響は?
音声64Kbps/本
2010/2/1 8卒業論文発表
STA1
評価方法
• 「 0 秒~ 15 秒での平均 R 値」「 15 秒~ 30 秒での平均 R 値」を評価の指標とする– 輻輳状態において R 値は安定しない。
伝送速度変更点( 15 秒)直前・直後で比較しても、それが伝送速度の変化によるものか、もしくは通信状態(輻輳による低下)によるものか判断が難しい。
2010/2/1 9卒業論文発表
実験 1 : AIFS の変更
2010/2/1 10卒業論文発表
15 秒以降の R値の低下が大き
い
15 秒以降の R値の低下が小さ
い
⇒ AIFSの値を“ 1”に設定することで R値の向上が見られる。
2010/2/1 卒業論文発表 11
91.443 77.008
59.720 60.076
72.204 83.509
91.307 91.311 91.310
0 20 40 60 80 100
CWmax=0CWmax=1CWmax=3CWmax=7
CWmax=15CWmax=31CWmax=63
CWmax=127CWmax=255
R 値
(UP) CWmin=0, CWmax=α
91.443 77.008
59.720 60.076
72.204 83.509
91.307 91.311
0 20 40 60 80 100
CWmax=0CWmax=1CWmax=3CWmax=7
CWmax=15CWmax=31CWmax=63
CWmax=127
R 値
(UP) CWmin=1, CWmax=α
55.732
63.268
83.668
88.244
91.241
91.244
91.240
0 20 40 60 80 100
CWmax=3
CWmax=7
CWmax=15
CWmax=31
CWmax=63
CWmax=127
CWmax=255
R 値
(UP) CWmin=3, CWmax=α
61.611
88.806
90.620
91.223
91.221
91.233
0 20 40 60 80 100
CWmax=7
CWmax=15
CWmax=31
CWmax=63
CWmax=127
CWmax=255
R 値
(UP) CWmin=7, CWmax=α
CWmax=63以上で R 値最
大
実験 2 : CW の変更(上りトラヒック)
2010/2/1 卒業論文発表 12
88.370 72.531
55.238 70.972
79.894 81.447
91.344 91.334 91.344
0 20 40 60 80 100
CWmax=0CWmax=1CWmax=3CWmax=7
CWmax=15CWmax=31CWmax=63
CWmax=127CWmax=255
R 値
(DOWN) CWmin=0, CWmax=α
78.706 58.695
68.243 77.963
87.488 91.318 91.307 91.311
0 20 40 60 80 100
CWmax=1CWmax=3CWmax=7
CWmax=15CWmax=31CWmax=63
CWmax=127CWmax=255
R 値
(DOWN) CWmin=1, CWmax=α
62.666
71.462
81.079
84.988
91.283
91.289
91.281
0 20 40 60 80 100
CWmax=3
CWmax=7
CWmax=15
CWmax=31
CWmax=63
CWmax=127
CWmax=255
R 値
(DOWN) CWmin=3, CWmax=α
71.378
71.205
76.910
90.052
91.266
91.267
0 20 40 60 80 100
CWmax=7
CWmax=15
CWmax=31
CWmax=63
CWmax=127
CWmax=255
R 値
(DOWN) CWmin=7, CWmax=α
CWmax=63以上で R 値最
大
実験 2 : CW の変更(下りトラヒック)
実験 3 : TXOP の変更
STA1 の変更 AP の変更
2010/2/1 卒業論文発表 13
TXOP
15秒までの
平均 R 値
15秒以降の
平均 R 値
1632
79.135865.0665
3264
80.766563.2675
6528
81.089370.0513
13056
79.963064.0293
26112
79.007669.7243
52224
81.044569.7269
TXOP に設定する値• 1632, 3264(default), 6528, 13056, 26112, 52224
TXOP
15秒までの
平均 R 値
15秒以降の
平均 R 値
1632
84.15595 70.09769
3264
83.6221971.46168
6528
77.7326678.65652
13056
79.8522478.50139
26112
79.5896572.30304
52224
79.4500270.23815
実験 4 : 最適な EDCA パラメータの検討
• 各 EDCA パラメータを組み合わせ、最も R値が向上するパラメータの組み合わせを検討する。–最も良かったパラメータの組み合わせ
これを提案パラメータとする。
2010/2/1 卒業論文発表 14
AIFS CWmin CWmax TXOP
STA1 1 0 63 6528
AP 1 0 63 6528
提案パラメータの検証
2010/2/1 卒業論文発表 15
改善
上りトラヒック
0-15 秒の平均
15-30秒の平均
デフォルト 82.93154 63.59654
提案90.84738 89.07711
下りトラヒック
0-15 秒の平均
15-30秒の平均
デフォルト
78.2133975.3389
3
提案 88.6383189.4826
4
まとめ&課題• 障害物等で無線伝送速度が変化する環境であ
る場合、提案したパラメータが有効である。
• 課題– 無線伝送速度を一つの端末のみ変更したが、複数
の端末の無線伝送速度が変化することが考えられる。その際に、同じパラメータを適応していいのか否か検討すべきである。
– 最適なパラメータを見つけるためには、網羅的にパラメータを組み合わせる必要がある。
– トラヒックのアクセスカテゴリが限られた環境で実験を行ったが、様々なアクセスカテゴリが流れる環境を想定すべきである。
2010/2/1 卒業論文発表 16
ご清聴ありがとうございました。
2010/2/1 卒業論文発表 17
HCCA の動作概要図
2010/2/1 卒業論文発表 18
QoSCF-Poll
ACK
QoSデータ
QoS CF-Poll で指定されたTXOPQoS CF-Poll で許可された送信期
間
SIFS
SIFS SIFSQoSデータ
QoSデータ
ACK
ACK
(補足) CSMA/CA• Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance• 無線 LAN における、基本的な通信手順1. Carrier Sense– 通信を開始する前に、現在通信をしているホストが
他にあるかどうか確認する。2. Multiple Access– 複数のクライアントは同じ回線を共用し、他者が通
信をしていなければ自分の通信を開始する。3. Collision Avoidance– 他のホストの送信終了を検知した場合は自分が送信
を開始する前にランダムな長さの待ち時間をとる。
2010/2/1 卒業論文発表 19
(補足) EDCA シミュレータ
• DESMO-J ライブラリを利用し、 IEEE 802.11e 環境を実装したシミュレータ
• IEEE 802.11b 上に 802.11e を実装。
2010/2/1 卒業論文発表 20
EDCA シミュレータシミュレーションモデル
2010/2/1 卒業論文発表 21
無線空間
PC + シナリオ
PC + シナリオ
PC + シナリオ
PC + シナリオ
無線 LANアクセス・ポイン
ト ステーション ( 無線LAN カー
ド )
ステーション ( 無線LAN カー
ド )
(補足) EDCA default parameter
アクセスカテゴリ AIFS CWmin CWmax TXOP
AC_BK 7 15 1023 0
AC_BE 3 15 1023 0
AC_VI 2 7 15 6016
AC_VO 2 3 7 3264
2010/2/1 22卒業論文発表
(補足) EDCA を選んだ理由
2010/2/1 卒業論文発表 23
(補足) R 値の計算式
• R 値 = R0 – Is – Id – Ie + A
• R0 : 回線雑音、送受話室内雑音による劣化
• Is : 音量、側音 ( 送話口から受話口へ伝わる音 ) 、量子化歪による劣化
• Id : 送話者エコー、受話者エコー、絶対遅延による劣化
• Ie : 低ビットレートコーデック、パケット損失による劣化
• A : モバイル通信など利便性による影響を補完
2010/2/1 卒業論文発表 24
R 値を選んだ理由
• 利点–主観評価指標である MOS 値と相関関係があ
る。• R 値と MOS 値を対応させたグラフが G.107 に掲載
– IP ネットワーク内で発生するパケットの遅延を評価に反映出来る。• 同じ客観評価である、 PSQM 、 PESQ は遅延を考慮していない
2010/2/1 卒業論文発表 25
音声通信の品質指標• MOS (Mean Opinion Score)
– 主観的手法。評価者に5段階で評価させる。
• PSQM (perceptual Speech Quality Measure)– 客観的手法。音声データの符号化、復号化の際に生じ
る歪みの影響を、人間の感覚に合わせて数値化する。
• PAMS (Perceptual Analysis Measurement System)– MOS 評価手法を機械化した手法。
• PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality)– PSQM + PAMS
• R 値2010/2/1 卒業論文発表 26
ネットワーク構成
2010/2/1 27卒業論文発表
IEEE 802.11e 無線 LANアクセスポイント
有線
無線
STA1
・・・
・・・
Voice 6 台 Video 1 台
Voice 6 台 Video 1 台
(補足 ) 実験 1 : AIFS の変更
50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
UP=2, DOWN=2UP=1, DOWN=2UP=2, DOWN=1UP=1, DOWN=1
0~15秒と15~30秒の平均R値
up(15-30)
down(15-30)
up(0-15)
down(0-15)
2010/2/1 28卒業論文発表
STA1=UP, AP=DOWN
(補足)実験 1~ AIFS=1 ( UP ・ DOWN )とした際の周囲への影響~• STA2 ~ STA6 (音声)の平均 R 値– UP側 83.46404– DOWN側 88.84418
• STA7 (映像)の最大 Delay– UP側 11.5586(ms)– DOWN側 11.0614(ms)
映像品質 遅延
双方向通信( 16-384kbit/s )
150ms 以下推奨・ 400ms 以下
一方向通信( 16-384kbit/s )
10s 以下
※ITU-T G.1010 勧告
クラス
R 値 遅延
A 80 以上 100ms 未満
B 70 以上 150ms 未満
C 50 以上 400ms 未満
2010/2/1 29卒業論文発表
補足) CW の効果
• CW の変更– CW の設定値による効果
CW は送信待ち時間を決定する乱数用のパラメータ
優先度の高い通信に対して CWmax を低く設定
送信待ち時間が少なくなり、送信機会が増える
2010/2/1 卒業論文発表 30
(補足)実験 2考察
• R 値が良かったパラメータは、他の端末のパラメータ (Default: CWmin=3, CWmax= 7) の範囲外を設定している。
• CW は待ち時間を決める乱数であるから、小さい方が優先的にアクセス権を取れるが、競合しないことで結果的に R 値の低下を抑えることが出来る。
2010/2/1 卒業論文発表 31
(補足)実験 4 : パラメータの組み合わ
せ• ○ : 実験 1 ~ 3 で得られた R 値が最も高くなったパラ
メータ– UP : AIFS=1, CWmin=0, CWmax=63, TXOP=6528– DOWN : AIFS=1, CWmin=0, CWmax=63, TXOP=6528
• × : 実験 1 ~ 3 で得られた R 値が最も低くなったパラメータ– UP : AIFS=2, CWmin=1, CWmax=1, TXOP=3264– DOWN : AIFS=2, CWmin=0, CWmax=3, TXOP=1632
• D: デフォルトパラメータ– UP : AIFS=2, CWmin=3, CWmax=7, TXOP=3264– DOWN : AIFS=2, CWmin=3, CWmax=7, TXOP=3264
2010/2/1 卒業論文発表 32
組み合わせパターンパターン AIFS CW TXOP
1 ○ × ×
2 × ○ ×
3 × × ○
4 ○ ○ ×
5 ○ × ○
6 × ○ ○
7 ○ ○ ○
8 ○ D D
9 D ○ D
10 D D ○
11 ○ ○ D
12 ○ D ○
13 D ○ ○
2010/2/1 卒業論文発表 33
提案パラメータを用いた場合の他の端末への影響
Down up
sta2 88.357 82.168sta3 91.02 88.256sta4 88.337 85.217sta5 88.331 88.253sta6 87.579 81.448
2010/2/1 卒業論文発表 34
シミュレーション全体での平均 R値