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 卒業論文発表 1
研究の背景 目的 ワイヤレス ブロードバンド時代の進展 モバイル端末による音声 動画通信の利用 サービスに適した QoS (Quality of Service) Best Effort IEEE 802.11e 通信の優先制御によって QoS を保証 しかし IEEE 802.11e を実装した無線 LAN アクセスポイントの多くが使用環境に関係なくデフォルトパラメータを用いている 無線伝送速度が変化した場合 通信品質が保たれるのか? 無線伝送速度の変化に対応したパラメータを検証 2010/2/1 卒業論文発表 2
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) アクセスカテゴリ AC_VO AC_VI AC_BE AC_BK 用途 音声通信映像通信 Best Effort Background 2010/2/1 卒業論文発表 4
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 卒業論文発表 5
R 値 VoIP (Voice over Internet Protocol) の通信品質の評価指標 音声品質クラス 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 2010/2/1 卒業論文発表 6
実験 1 AIFS の変更 実験 2 CW の変更 実験 3 TXOP の変更 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 実験 4 最適なパラメータの検討 検証 2010/2/1 卒業論文発表 7
シミュレーション環境 有線端末 6 台 ( 音声 ) 有線端末 1 台 ( 映像 ) + 音声 64Kbps/ 本 映像 300Kbps/ 本 11Mbps 2Mbps 11Mbps 11Mbps 無線伝送速度 11Mbps STA1 通信への無線端末 1 台 ( 映像 ) 影響は? 無線端末 6 台 ( 音声 ) 2010/2/1 卒業論文発表 8
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 卒業論文発表 9
R 値 R 値 実験 1 : AIFS の変更 STA1 の AIFS=2, AP の AIFS=2 (Default) STA1 の AIFS=1, AP の AIFS=1 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 15 秒以降のR 値の低下が大きい 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 down up 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 15 秒以降のR 値の低下が小さい down up 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 time time 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 10
実験 2 : CW の変更 ( 上りトラヒック ) (UP) CWmin=0, CWmax=α (UP) CWmin=1, CWmax=α CWmax=255 CWmax=127 CWmax=63 CWmax=31 CWmax=15 CWmax=7 CWmax=3 CWmax=1 CWmax=0 91.310 91.311 91.307 83.509 72.204 60.076 59.720 77.008 91.443 0 20 40 60 80 100 R 値 (UP) CWmin=3, CWmax=α CWmax=127 CWmax=63 CWmax=31 CWmax=15 CWmax=7 CWmax=3 CWmax=1 CWmax=0 CWmax=63 以上で R 値最大 91.311 91.307 83.509 72.204 60.076 59.720 77.008 91.443 0 20 40 60 80 100 R 値 (UP) CWmin=7, CWmax=α CWmax=255 CWmax=127 CWmax=63 CWmax=31 CWmax=15 CWmax=7 CWmax=3 63.268 55.732 91.240 91.244 91.241 88.244 83.668 CWmax=255 CWmax=127 CWmax=63 CWmax=31 CWmax=15 CWmax=7 61.611 91.233 91.221 91.223 90.620 88.806 0 20 40 60 80 100 2010/2/1 卒業論文発表 R 値 R 値 11 0 20 40 60 80 100
実験 2 : CW の変更 ( 下りトラヒック ) (DOWN) CWmin=0, CWmax=α (DOWN) CWmin=1, CWmax=α CWmax=255 CWmax=127 CWmax=63 CWmax=31 CWmax=15 CWmax=7 CWmax=3 CWmax=1 CWmax=0 91.344 91.334 91.344 81.447 79.894 70.972 55.238 72.531 88.370 CWmax=255 CWmax=127 CWmax=63 CWmax=31 CWmax=15 CWmax=7 CWmax=3 CWmax=1 91.311 91.307 91.318 87.488 77.963 68.243 58.695 78.706 0 20 40 60 80 100 R 値 (DOWN) CWmin=3, CWmax=α CWmax=63 以上で R 値最大 0 20 40 60 80 100 R 値 (DOWN) CWmin=7, CWmax=α CWmax=255 CWmax=127 CWmax=63 CWmax=31 CWmax=15 CWmax=7 CWmax=3 91.281 91.289 91.283 84.988 81.079 71.462 62.666 CWmax=255 CWmax=127 CWmax=63 CWmax=31 CWmax=15 CWmax=7 91.267 91.266 90.052 76.910 71.205 71.378 0 20 40 60 80 100 2010/2/1 卒業論文発表 R 値 R 値 12 0 20 40 60 80 100
実験 3 : TXOP の変更 TXOP に設定する値 1632, 3264(default), 6528, 13056, 26112, 52224 STA1 の変更 TXOP 15 秒までの平均 R 値 15 秒以降の平均 R 値 1632 79.1358 65.0665 3264 80.7665 63.2675 6528 81.0893 70.0513 13056 79.9630 64.0293 26112 79.0076 69.7243 52224 81.0445 69.7269 AP の変更 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 83.62219 71.46168 6528 77.73266 78.65652 13056 79.85224 78.50139 26112 79.58965 72.30304 52224 79.45002 70.23815 2010/2/1 卒業論文発表 13
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 AIFS CWmin CWmax TXOP STA1 1 0 63 6528 AP 1 0 63 6528 これを提案パラメータとする 2010/2/1 卒業論文発表 14
R 値 提案パラメータの検証 down (default) down (proposal) up (default) up (proposal) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 改善 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 time 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 下りトラヒック 90.84738 89.07711 0-15 秒の平均 15-30 秒の平均 デフォルト 78.21339 75.33893 提案 88.63831 89.48264 2010/2/1 卒業論文発表 15
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 QoS CF-Poll で指定された TXOP QoS CF-Poll で許可された送信期間 QoS CF-Poll SIFS A C K A C K A C K QoS データ SIFS QoS データ SIFS QoS データ 2010/2/1 卒業論文発表 18
( 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 PC + シナリオ PC + シナリオ 無線 LAN アクセス ポイント PC + シナリオ ステーション ( 無線 LAN カード ) 無線空間 ステーション ( 無線 LAN カード ) PC + シナリオ 2010/2/1 卒業論文発表 21
( 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 卒業論文発表 22
( 補足 )EDCA を選んだ理由 音声トラヒックの優先度を上げることで品質向上を目指す アクセスカテゴリごとに優先度を変更することが可能 EDCA 2010/2/1 卒業論文発表 23
( 補足 )R 値の計算式 R 値 = R 0 I s I d I e + A R 0 : 回線雑音 送受話室内雑音による劣化 I s : 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 I d : 送話者エコー 受話者エコー 絶対遅延による劣化 I e : 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) R 値 PSQM+PAMS 2010/2/1 卒業論文発表 26
ネットワーク構成 Voice 6 台 Video 1 台 有線 無線 IEEE 802.11e 無線 LAN アクセスポイント STA1 Voice 6 台 Video 1 台 2010/2/1 卒業論文発表 27
( 補足 ) 実験 1 : AIFS の変更 UP=1, DOWN=1 UP=2, DOWN=1 UP=1, DOWN=2 UP=2, DOWN=2 0~15 秒と15~30 秒の平均 R 値 STA1=UP, AP=DOWN 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 up(15-30) down(15-30) up(0-15) down(0-15) 2010/2/1 卒業論文発表 28
( 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 双方向通信 (16-384kbit/s) 一方向通信 (16-384kbit/s) 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 遅延 150ms 以下推奨 400ms 以下 10s 以下 ITU-T G.1010 勧告 2010/2/1 卒業論文発表 29
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 シミュレーション全体での平均 R 値 Down up sta2 88.357 82.168 sta3 91.02 88.256 sta4 88.337 85.217 sta5 88.331 88.253 sta6 87.579 81.448 2010/2/1 卒業論文発表 34