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Adaptive EDCF

Adaptive EDCF. Lamia Romdhani, Qiang Ni, and Thierry Turletti IEEE WCNC'03, March 16-20, 2003. (Wireless Communications and Networking Conference). Enhanced Service Differentiation for IEEE 802.11 Wireless Ad-Hoc Networks. Outline. Abstract Introduction AEDCF Scheme Simulation Conclusion.

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Presentation Transcript

  1. Adaptive EDCF Lamia Romdhani, Qiang Ni, and Thierry Turletti IEEE WCNC'03, March 16-20, 2003. (Wireless Communications and Networking Conference) Enhanced Service Differentiationfor IEEE 802.11 Wireless Ad-Hoc Networks

  2. Outline • Abstract • Introduction • AEDCF Scheme • Simulation • Conclusion

  3. Abstract • 方案：Adaptive Enhanced Distributed Coordination Function (AEDCF) • 源自：IEEE 802.11e EDCF • 方法：根據應用的需求及網路的情況，動態調整每一個 Traffic Class 的 Contention Window 值 • 效能：AEDCF vs. EDCF • 增加媒體使用率 (medium utilization ratio) • 降低超過 50% 的碰撞率 (collision rate) • 提高近 25% 的有效流量 (goodput) • 複雜性 (complexity) 類似

  4. 802.11a 802.11b 802.11d 802.11e 802.11f 802.11g 802.11h 802.11i 802.11j Introduction： 802.11 Family ：54Mbps、5GHz、與 802.11b 不相容 ：11Mbps、2.4GHz ( Wi - Fi ) ：定義不同區域限制使用頻率及功率的漫遊方法 ：QoS、主要應用於 real-time data ：漫遊兩台 AP 間的交談問題 ：54Mbps、2.4GHz、與 802.11b 相容 ：802.11a 之頻帶管理 ：安全性加強 ：讓 802.11a 和 HiperLAN2 可互通

  5. Introduction：802.11 Modes Internet AP AP WLAN WLAN ad-hoc mode (Access method : DCF) infrastructure mode (Access method : DCF、PCF)

  6. Introduction：DCF 偵測到 Idle • DCF：Distributed Coordination Function • CW：Contention Window Idle < DIFS (busy) DIFS Idle = DIFS 進入CW Backoff Time = Random() * slot time Random() = [0,CW] , CWmin ≦CW≦ CWmax BT ≠ 0 (busy) Backoff Time 下次進入時繼續倒數 BT = 0 • 第一次傳輸：CW = CWmin • 成功傳輸後：CW = CWmin • 失敗後重傳： • CW = min(CWmax , (CWold + 1) * PF - 1) Transmission 未收到ACK ACK 收到ACK

  7. Introduction：DCF (Cont.) • IFS：Inter-Frame Spacing • SIFS：Short IFS (ACK、RTS 、CTS) • PIFS：PCF IFS • DIFS：DCF IFS • 所有 Station 用相同之 priority 競爭 resource & channel

  8. RTS CTS A B C Introduction：DCF (Cont.) • MSDU (MAC layer Service Data Unit) 切割與重組 • 連續傳送，以 SIFS 為間隔 • 錯誤時僅需重送有問題之 MPDU (MAC layer Protocol Data Unit) • 每個 MPDU 皆需收到 ACK • 解決 hidden station 碰撞問題 • RTS (Request to Send) • CTS (Clear to Send) • NAV (Net Allocation Vector)

  9. Introduction：802.11e • Quality of Service(QoS) • Voice Over IP (VOIP) • Streaming media • Priority schemes • 用不同的 priorities 來提供差異性的存取控制 (8 priority queues) • Access method • EDCF (Enhanced DCF) • HCF (Hybrid Coordination Function) • Transmission Opportunity (TXOP) • 一個時間間隔，讓某一特殊的 STA 有權利來啟動傳輸

  10. Introduction：EDCF • AIFS：Arbitration Inter-Frame Space • AIFS ≧ DIFS (AIFS = DIFS + 0 或數個 time slots)

  11. Introduction：EDCF (Cont.) • 一個 station 最多可有 8 個 Traffic Categories (TC) • 每個 TC 有自己的 PF、CW、AIFS，以達成不同的 priority • 為避免 virtual collision，Scheduler 授予 TC 一個 TXOP以取得 最高的 priority

  12. Introduction：EDCF (Cont.) Backoff Time[i] = Random[i] * slot time Random[i] = [1,CW[i] +1] , CWmin[i] ≦ CW[i]≦ CWmax [i] • 第一次傳輸：CW[i] = CWmin[i] • 成功傳輸後：CW[i] = CWmin[i] • 失敗後重傳： • CW[i] = min(CWmax[i], (CWold[i] + 1) * PF[i] - 1)

  13. AIFS time = SIFS(16μs in 802.11a) + AIFS(in number) * slot_time(9μs in 802.11a) Introduction：EDCF (Cont.) • AIFS • Audio = Video < Data • CWmin & CWmax • Audio < Video < Data • TXOP：[ 0 ~ 255 ]，Units of 32 μs (Max: 8.16ms)

  14. (CWold[i] + 1) * PF[i] -1 AEDCF Scheme • 根據網路情況動態調整 CW 值 (1). 調整每次成功傳輸後之 CW 值，依 .目前 CW 值 (CWold) .平均 collision rate ( ) .priority (i) 來重設 • EDCF：CWnew[i] 重設為 CWmin[i] (2). 調整每次碰撞後之 CW 值，降低 new collision 的機率以減少 delay • EDCF：CWnew[i] = min ( CWmax[i] , 2 * CWold [i] )

  15. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　, 0≦i ≦7 避免 CWnew 小於 CWmin 確保最高優先權的 TC 可用最小的 MF 值重設 CWnew 為了 CWnew 不大於 CWold ，限制 MF 最大為 0.8 ( EWMA：指數加權移動平均法 ) smoothing factor，α = [0.75 , 0.9] station P 在 j 期間內之 collision 數 station P 在 j 期間內所傳送之 packet 數 AEDCF Scheme (Cont.) • 每次成功傳輸之後 ……

  16. CWnew[i] = min ( CWmax[i] , CWold[i] * PF[i] ) , 0≦i ≦7 Priority 越高 ==> PF[i] 越低 AEDCF Scheme (Cont.) • 每次成功傳輸之後 … … Slow Decrease (SD) scheme • CWnew[i] = max ( CWmin[i] , CWold[i] * 0.5 ) , 0≦i ≦7 • 每次碰撞之後 ……

  17. Simulation – Impact of α parameter • 環境：25 stations、84.5% load rate 、超過 20 次的模擬平均值 • 結果：[0.75 , 0.9]  α = 0.8

  18. Simulation – Effect of traffic load • 環境 • 三種不同 priority 的 queues • 從 2 個 stations 增加至 44 個 stations (每 8 秒增加 1 個) • load rate 從 6.7% 增加至 149% (30 個 stations  load rate = 100%)

  19. Simulation – Effect of traffic load (Cont.) • 所使用的 metrics • Gain of goodput：平均有效流量，new scheme (AEDCF or SD) compared with EDCF • Ｍean delay：平均 delay • Latency distribution：可用來追蹤 latency 小於 maximum delay 的封包百分比 • Medium utilization：medium 用來傳輸資料的百分比 • Collision rate：每秒所產生的平均碰撞數

  20. EDCF 17.8 SD 16.5 AEDCF 11.5 10 6.2 4.1 13 26 44 Simulation – Effect of traffic load (Cont.) • 當 traffic load 非常高的時候，AEDCF 仍能維持較低的 delay • 當 station > 13 時，EDCF delay 快速上昇 • AEDCF 絕大部份維持著 mean delay < 10 ms

  21. 27.2 AEDCF 23.5 16.5 15.7 SD 35 44 Simulation – Effect of traffic load (Cont.) • 當 traffic load 增加時，goodput也跟著增加． 尤其是 AEDCF 在高 load rate 時，增加的幅度(效能)更大

  22. AEDCF EDCD SD EDCD SD AEDCF Simulation – Effect of traffic load (Cont.) • 當 traffic load 增加至某一程度起，medium utilization 開始降低 (因碰撞增加) • 當 traffic rate 較低的時候 (stations 小於 8)，所有 schemes 有著相似的 collision rate．而當 traffic rate 再增加時，AECDF 可維持著較低的 collision rate • 根據 collision rate 改變 CW 值降低 collision rate提昇 goodput & 降低 delay

  23. Simulation – Effect of traffic load (Cont.) • 目的：研究有關 delay 及 jitter 的效能 • 環境：station 從 2 個 (4 sec) 增加至 25 個 (100 sec)，在 115 sec 停止 • 結果：EDCF 的 delay 及 jitter 為 AECDF 兩倍高，且 AECDF 較 EDCF 穩定 (stable)

  24. AEDCF AEDCF 超過 85% EDCF EDCF 30% 20 ms 30 ms 200 ms Latency distributions of audio Latency distributions of video Simulation – Effect of traffic load (Cont.) • Audio packets • AEDCF 最大 delay 小於 20 ms，EDCF 最大 delay 則大於 30ms • Videopackets • AEDCF 有超過85%的 packets 其 delay 小於 200ms，EDCF 則僅有30 % • 不正確的快速減少CW值(EDCF)將增加下次碰撞的機率，進而增加 delays

  25. Conclusion • 以動態且多變的 CW 值來加強、延伸原 802.11e EDCF 的功能 • 模擬結果證明：AEDCF 有較好的效能 (throughput 、 delay and jitter) • 雖然目前僅適用於 ad-hoc networks，但只要略加修改，亦可使用在 infrastructure mode 上 • 未來，將再嘗試調適其它參數，如：根據網路負載率 來調整CWmax、最大重傳數量及封包長度

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