Nâng cao hiệu năng của chuẩn IEEE 802.11e bằng cơ chế điều khiển cửa sổ tranh chấp

Lê Khánh Dƣơng và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 116 (02): 85 - 89<br /> <br /> NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA CHUẨN IEEE 802.11e<br /> BẰNG CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN CỬA SỔ TRANH CHẤP<br /> Lê Khánh Dƣơng*, Lê Tuấn Anh<br /> Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Chuẩn IEEE 802.11e đƣợc đề xuất cho mạng không dây để đảm bảo các yêu cầu về chất lƣợng<br /> dịch vụ (QoS). Nó bao gồm nhiều cải tiến phƣơng thức điều khiển truy cập môi trƣờng truyền tại<br /> tầng MAC có ƣu tiên đối với các luồng dữ liệu khác nhau. Trong chuẩn này chia các luồng dữ liệu<br /> vào bốn cấp độ truy cập (AC) với độ ƣu tiên khác nhau, mỗi AC sử dụng một hàng đợi với các<br /> tham số truy cập môi trƣờng truyền khác nhau.<br /> Trong bài báo này chúng tôi đề xuất cơ chế điều khiển cửa sổ tranh chấp nhằm tránh việc xung đột<br /> giữa các luồng cùng một trạm hoặc giữa các trạm với nhau khi cùng tranh chấp đƣờng truyền trong<br /> mạng không dây, nâng cao QoS cho các kênh truyền không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.11e.<br /> Từ khóa: Chất lượng dịch vụ, IEEE 802.11e, EDCA, Cửa sổ tranh chấp, Cấp độ truy cập<br /> <br /> GIỚI THIỆU*<br /> Một mạng không dây di động phi cấu trúc đa<br /> phƣơng tiện là một mạng Ad hoc với các nút<br /> là các thiết bị di động vừa là nút nguồn, nút<br /> đích vừa là nút chuyển giao. Đặc điểm của<br /> mạng này là các nút có năng lực xử lý hạn<br /> chế, tài nguyên và nguồn năng lƣợng nhỏ.<br /> Vấn đề đặt ra khi các dữ liệu đa phƣơng tiện<br /> truyền đi trong mạng này đòi hỏi vừa đảm<br /> bảo chất lƣợng dịch vụ trên hạ tầng mạng có<br /> cấu trúc thay đổi liên tục trong thời gian thực<br /> vừa đảm bảo các yêu cầu của các ứng dụng<br /> tƣơng ứng.<br /> Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một<br /> thuật toán điều chỉnh cửa sổ tranh chấp<br /> (Contention Window-CW) của mạng không<br /> dây IEEE 802.11e (của cơ chế truy cập kênh<br /> truyền EDCA) trong truyền dữ liệu đa<br /> phƣơng tiện. Chúng tôi tập trung nghiên cứu<br /> việc phân chia các luồng dữ liệu ƣu tiên theo<br /> 04 cấp độ truy cập (AC). Mỗi dịch vụ đƣợc<br /> gán với một AC nhất định, và mức độ ƣu tiên<br /> của các AC phân biệt qua các tham số truy<br /> cập môi trƣờng truyền khác nhau:<br /> AIFS – Khoảng thời gian lắng nghe môi<br /> trƣờng truyền rỗi trƣớc khi truyền gói tin tiếp<br /> theo hoặc khởi động thuật toán quay lui<br /> backoff.<br /> *<br /> <br /> Tel: 0982 500747, Email: lkduong@ictu.edu.vn<br /> <br /> CWmin, CWmax - Kích thƣớc cận dƣới và<br /> cận trên của cửa sổ tranh chấp sử dụng cho<br /> thuật toán quay lui backoff.<br /> TXOP Limit - Giới hạn của TXOP, là khoảng<br /> thời gian truyền tối đa sau khi giành đƣợc<br /> quyền truyền thông.<br /> Trong đó hai tham số CWmin, CWmax đã<br /> đƣợc biết đến trong một số nghiên cứu [1, 2,<br /> 4] nhằm nâng cao hiệu năng mạng không dây<br /> truyền dữ liệu đa phƣơng tiện, các tác giả điều<br /> chỉnh các giá trị này theo từng điều kiện mô<br /> phỏng cụ thể và rút trích các tham số hiệu<br /> năng để so sánh.<br /> Các phần tiếp theo của bài báo sẽ trình bày<br /> chi tiết hơn, trong đó: phần 2 sẽ trình bày về<br /> cơ chế truy cập môi trƣờng truyền phân tán<br /> IEEE 802.11e EDCA; đƣa ra thuật toán điều<br /> khiển cửa sổ tranh chấp dựa trên kích thƣớc<br /> hàng đợi ƣu tiên luồng voice (AC[VO]) và<br /> cuối cùng là kết luận.<br /> QOS TRONG CHUẨN IEEE 802.11E<br /> Chuẩn IEEE 802.11e là một chuẩn mở rộng<br /> của chuẩn gốc IEEE 802.11. Nó định nghĩa<br /> một tập các cải tiến nhằm nâng cao chất<br /> lƣợng dịch vụ cho mạng không dây. Trọng<br /> tâm các cải tiến của chuẩn này là phân tách<br /> các luồng ƣu tiên khác nhau với các tham số<br /> truy cập môi trƣờng truyền tại tầng MAC.<br /> 85<br /> <br /> Lê Khánh Dƣơng và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 116 (02): 85 - 89<br /> <br /> trình truyền dữ liệu. Có 8 giá trị ƣu tiên khác<br /> nhau tƣơng ứng ác giá trị từ 0 đến 7.<br /> Cơ chế EDCA định nghĩa các AC với các<br /> tham số cụ thể nhƣ: CW, AIFS và<br /> TXOPLimit tại tầng MAC. Khi các luồng dữ<br /> liệu từ tầngtrên xuống tới tầng MAC, dựa vào<br /> giá trị ƣu tiên của nó để ánh xạ vào một AC<br /> tƣơng ứng nhƣ trong hình 1.<br /> <br /> Hình 1. Các AC trong chuẩn IEEE 802.11e<br /> <br /> Trong chuẩn IEEE 802.11e định nghĩa một<br /> hàm phối hợp gọi là Hybrid Coordination<br /> Function (HCF). HCF bao gồm hai cơ chế<br /> truy cập kênh truyền có điều khiển ở trung<br /> tâm và phân tán giống nhƣ DCF và PCF trong<br /> chuẩn gốc IEEE 802.11. Cơ chế truy cập kênh<br /> truyền phân tán dựa trên xung đột của HCF<br /> gọi là Enhanced Distributed Channel Access<br /> (EDCA), và Cơ chế truy cập kênh truyền điều<br /> khiển trung tâm dựa trên cạnh tranh tự do gọi<br /> là HCF Controlled Channel Access (HCCA).<br /> Cơ chế IEEE 802.11e EDCA<br /> EDCA định nghĩa 4 loại AC khác nhau cho 4<br /> kiểu truyền dữ liệu và mỗi dịch vụ đƣợc gán<br /> cho một AC nhất định với các tham số truy<br /> cập môi trƣờng truyền khác nhau. Các frame<br /> dữ liệu đƣợc ánh xạ vào các AC tƣơng ứng<br /> với các hàng đợi QoS. Bốn loại AC này là<br /> AC[BK], AC[BE], AC[VI] và AC[VO]<br /> (tƣơng ứng lần lƣợt là AC[3], AC[2], AC[1],<br /> AC[0]). Trong đó AC[BK] có độ ƣu tiên thấp<br /> nhất, AC[VO] có độ ƣu tiên cao nhất. Mỗi<br /> frame từ tầng trên khi đến tầng MAC với một<br /> giá trị ƣu tiên tƣơng ứng, dựa vào giá trị ƣu<br /> tiên này để phân loại luồng frame trong quá<br /> 86<br /> <br /> Trong EDCA gán các AC có độ ƣu tiên cao<br /> với CWmin, Cwmax, AIFS nhỏ hơn,<br /> TXOPLimit lớn hơn để tăng cơ hội truyền<br /> thành công. Nếu một AC[i] (i = 0, 1, 2, 3) có<br /> AIFS hoặc (CWmin, CWmax) nhỏ hơn thì nó<br /> có độ ƣu tiên cao hơn [4].<br /> Ngoài ra, mỗi khi một frame dữ liệu nào đó<br /> truyền không thành công thì giá trị cửa sổ<br /> tranh chấp CW sẽ đƣợc tăng lên theo công<br /> thức sau: CWnew[i] = ((CWold + 1) * pf[i]) 1; [7] trong đó pf[i] (persistence factor) là một<br /> tham số ƣu tiên của từng AC.<br /> IEEE 802.11e EDCA xác định một khoảng<br /> thời gian mà trong đó một trạm cụ thể có thể<br /> truyền gọi là cơ hội truyền TXOPLimit.<br /> Trong thời gian này cho phép nhiều frame dữ<br /> liệu từ cùng một AC đƣợc truyền liên tục, AC<br /> có độ ƣu tiên cao thì có thời gian TXOPLimit<br /> dài hơn so với TXOPLimit của AC có độ ƣu<br /> tiên thấp hơn, vì vậy các tham số đƣợc thiết<br /> lập cho cơ chế này sẽ xác định sự khác biệt<br /> trong truyền lƣu lƣợng trong thực tế do đó<br /> việc thay đổi các tham số này cũng có thể làm<br /> tăng hiệu năng của mạng, bảng 1 trình bày giá<br /> trị các tham số theo từng AC.<br /> Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng phần<br /> mềm mô phỏng hiệu năng mạng Network<br /> Simulator 2 (NS-2) và gói hỗ trợ cơ chế IEEE<br /> <br /> Lê Khánh Dƣơng và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 116 (02): 85 - 89<br /> <br /> 802.11e EDCA [7]. Kịch bản mô phỏng gồm<br /> các nút di động trong phạm vi cảm nhận sóng<br /> mang của nhau. Mỗi nút sẽ gửi các luồng dữ<br /> liệu âm thanh (voice) 64Kb/s, và luồng<br /> video 400kb/s. Sơ đồ mạng mô phỏng giống<br /> nhƣ trong [8]. Cặp giá trị của (CWmin[VO],<br /> CWmax[VO]) thay đổi theo từng lần chạy<br /> mô phỏng.<br /> <br /> trên một tham số đặc trƣng cho số lƣợng các<br /> luồng voice tham gia truyền thông, cụ thể ở<br /> đây là dựa trên kích thƣớc hiện thời của hàng<br /> đợi voice AC[VO] tại tầng MAC để quyết<br /> định giá trị tƣơng ứng của cặp giá trị của hàng<br /> đợi<br /> dành<br /> cho<br /> video<br /> (CWmin[VI],<br /> CWmax[VI]).<br /> <br /> Trong thực tế, việc các nút mạng không dây<br /> chuẩn IEEE 802.11e tham gia vào quá trình<br /> truyền các luồng dữ liệu đa phƣơng tiện có sự<br /> phân biệt ƣu tiên, chúng tôi nhận thấy trong<br /> trƣờng hợp số nút và số luồng voice chiếm tỷ<br /> lệ ít hơn so với luồng video và các luồng có<br /> độ ƣu tiên thấp hơn khác thì hai giá trị<br /> (CWmin[VI], CWmax[VI]) dao động trong<br /> khoảng từ (7,15) đến (15,31) hoặc (127,255)<br /> [1] vẫn đảm bảo thông lƣợng cao cho toàn<br /> mạng vì khi số lƣợng các luồng voice ít thì<br /> việc hai giá trị (CWmin[VI], CWmax[VI])<br /> của các luồng video có gần với giá trị của<br /> luồng voice (CWmin[VO], CWmax[V0])<br /> (bảng 1) cũng không ảnh hƣởng nhiều đến<br /> thông lƣợng toàn mạng. Tuy nhiên, nếu số<br /> lƣợng luồng voice lớn thì các giá trị<br /> (CWmin[VI], CWmax[VI]) càng xa giá trị<br /> của (CWmin[VO], CWmax[VO]) càng đảm<br /> bảo các luồng video tránh tranh chấp với<br /> luồng voice.<br /> Giá<br /> trị<br /> (CWmin[VI],<br /> CWmax[VI]) khuyến cáo theo [1] là<br /> (255,511) hoặc (511,1023).<br /> <br /> Chúng tôi đề xuất thuật toán sau dựa trên kích<br /> thƣớc hàng đợi ƣu tiên dành cho luồng voice,<br /> cụ thể là của AC[VO] tại tầng MAC để quyết<br /> định giá trị cận dƣới và cận trên của cửa sổ<br /> tranh chấp của luồng video AC[VI] có độ ƣu<br /> tiên thấp hơn.<br /> <br /> Thuật toán điều khiển cửa sổ tranh chấp động<br /> <br /> Kích thƣớc hàng đợi là qSize= 50 (packet), ta<br /> sử dụng hai giá trị ngƣỡng để làm mốc so<br /> sánh<br /> là<br /> threshold_low=10<br /> và<br /> threshold_high=40. Gọi qlen(AC[0]) là kích<br /> thƣớc hiện thời hàng đợi của AC[VO] ta có:<br /> Khi một frame của video đến<br /> if(qlen(AC[0])