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

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])