Luận án Nghiên cứu về đảm bảo chất lượng dịch vụ đa phương tiện trên mạng không dây Ad hoc

MAC header phải được gửi với tốc độ 1 hoặc 2 Mb/s, bởi vì tất cả các trạm sẽ có thể đọc được nó nhằm để thấy giá trị NAV. Vì vậy, thời gian của MAC header phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu được chọn. Trong trường hợp 11 Mb/s, thời lượng (duration) của nó là: TMAC = 24× 8bits 11Mb/s = 17.45µs (2.1.6) Tiếp theo là quá trình bắt đầu truyền MSDU, đây là tải trọng (payload) cho tầng MAC. Nó được tạo bởi kích thước dữ liệu của ứng dụng, cộng với tất cả các header của các tầng ở giữa và nó được gửi ở tốc độ dữ liệu. Lấy ví dụ về trường hợp 11 Mb/s và nhắc lại rằng, theo mặc định, iperf gửi gói dữ liệu 1470 byte, thời lượng dữ liệu là: TDATA = (DataAPP +HUDP +HIP +HLLC)× 8 DataRate = (1470 + 8 + 20 + 8)× 8bits 11Mb/s = 1095.27µs (2.1.7) Sau dữ liệu, một Chuỗi kiểm tra khung (FCS – Frame Check Sequence), mà về cơ bản là một mã kiểm tra vòng CRC, sẽ được thêm vào. Nó được tạo bởi 4 byte và nó được gửi ở tốc độ dữ liệu. Trong trường hợp 11 Mb/s, chúng ta sẽ có TFCS = 4× 8bits 11Mb/s = 2.91µs (2.1.8) Bây giờ việc truyền cho bên gửi được chấm dứt và sau một SIFS (10µs), bên nhận sẽ gửi một biên nhận (ACK). Một lần nữa, chúng ta phải xem xét một PHY header khác như cho khung dữ liệu và sau đó là một MAC header chỉ có 10 byte và được gửi ở tốc độ dữ liệu. Không có dữ liệu, nhưng có FCS và như đối với khung dữ liệu là 4 byte ở tốc độ dữ liệu. Vì vậy, tổng thời gian ACK tính theo 11 Mb/s là: TACK = TPHYHR/DSSS + 10× 8bits 11Mb/s + TFCS = 102.55µs (2.1.9) 44 Bây giờ chúng ta có thể tính tổng thời gian truyền cho 11 Mb/s bằng tổng tất cả các giá trị thu được trước đó: TTRANSMISSION ' 1687.81µs (2.1.10) Vì vậy, thông lượng lý thuyết cho 11 Mb/giây ở tầng Ứng dụng với tải trọng 1470 byte là: ThroughputAPP = 1470× 8bits 1687.81µs ' 6.97Mb/s (2.1.11) Nếu thực hiện lặp lại phép tính cho tất cả các tốc độ được kiểm tra và cho tất cả các tầng mạng, chúng ta sẽ thu được kết quả trong Bảng 2.1.1. Kết quả cũng được xem xét với một trường hợp đặc biệt, đó là khi bộ đếm ngược được đặt thành 0 (vì giá trị của nó được sinh ngẫu nhiên nên cần xét giá trị đặc biệt này), và khi đó tương ứng sẽ có thông lượng giới hạn (khi thực nghiệm giá trị thông lượng có thể tăng, nhưng không bao giờ quá giới hạn này). Bảng 2.1.1. Các thông lượng lý thuyết trung bình (backoff counter là 15.5 và 0) đối với 802.11b Tầng Tải trọng (payload) Backoff 15.5 Backoff 0 Tốc độ (Mb/s) Tốc độ (Mb/s) 1 5.5 11 1 5.5 11 Application 1470 B 0.91 4.18 6.97 0.93 4.70 8.54 UDP 1478 B 0.91 4.20 7.01 0.94 4.72 8.58 IP 1498 B 0.93 4.26 7.10 0.95 4.79 8.70 LLC 1506 B 0.93 4.28 7.14 0.95 4.81 8.74 2.1.2. IEEE 802.11g Giao thức MAC 802.11g hoạt động gần tương tự 802.11g như đã cho trong Hình 2.1.1, nhưng với một số khác biệt để cải thiện hiệu suất. Trước hết, tiêu chuẩn g có một đặc điểm kỹ thuật tầng PHY mới là Tỷ lệ PHY mở rộng (Extended Rate PHY – ERP). Trong tiêu chuẩn, người ta viết rằng trong trường hợp BSS chỉ được tạo bởi các client chuẩn g, có thể sử dụng chế độ ERP-OFDM thuần túy, để tăng thông 45 lượng. Ghép kênh theo tần số trực giao (Ortogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM) là kỹ thuật điều chế được sử dụng trong chuẩn 802.11a để gửi dữ liệu ở tốc độ cao hơn, đó là 6, 9, 12, 18, 24, 36 và 54 Mbps. Do những thông số kỹ thuật mới này, phân tích lý thuyết về thời gian truyền dữ liệu sẽ thay đổi nhiều. Trước hết, DIFS ngắn hơn, vì thời gian của khe (SLOT) giảm xuống còn 9µs. Vì vậy chúng ta có: TDIFS = TSIFS + 2× TSLOT = 28µs (2.1.12) Do SLOT ngắn hơn, ngay cả thời gian trung bình của thủ tục quay lui cũng giảm đáng kể: TBackoff = 15.5× TSLOT = 138.5µs (2.1.13) Phần PHY header, trong chế độ g thuần túy (pure g), thay đổi hoàn toàn. Chúng ta sẽ không có phần mào đầu dài/ngắn nữa, thay vào đó sẽ có một đoạn mào đầu gồm 12 ký hiệu, phần này mất 16µs để được gửi, như minh họa trong Hình 2.1.6 và 2.1.7. Hình 2.1.6. Định dạng của PHY PDU Hình 2.1.7. Thời lượng phần mào đầu (Preamble duration) 46 Sau đó, chúng ta có PLCP header gồm 40 bit. 24 bit đầu tiên, được gửi ở tốc độ 6 Mb/s, và tương ứng mất một khoảng thời gian cố định là 4 µs. PLCP header chứa: • RATE: tốc độ mà dữ liệu sẽ được gửi đi • RESERVED: dự trữ chưa sử dụng • LENGTH: số byte mà phân tầng MAC đang yêu cầu tầng PHY • PARITY: bit chẵn lẻ cho các bit từ 0 đến 16 • TAIL: các bits này đều được đặt bằng 0 16 bit cuối cùng là bit dịch vụ, chứa 7 bit được đặt bằng 0 và các bit khác được dành riêng để sử dụng trong tương lai. Chúng được gửi ở tốc độ dữ liệu, vì vậy để thuận tiện, có thể coi chúng là một phần của dữ liệu PHY. Tổng thời gian của PHY header là TPHYERP = TPREAMBLE + TPLCP = 16µs+ 4µs = 20µs (2.1.14) PPDU chứa trường dịch vụ (16 bit) được gửi ở tốc độ dữ liệu, sau đó là đến phần MAC header. Giống như với 802.11b, nó được tạo thành từ 24 byte được truyền ở tốc độ danh nghĩa. Trong trường hợp 54 Mbps sẽ tính được: TSERV ICE = 16bits 54Mbps = 0.3µs (2.1.15) TMAC = 24× 8bits 54Mbps = 3.56µs (2.1.16) Tiếp theo là phần payload và FCS, giống như đối với 802.11b, vì vậy với tốc độ danh nghĩa là 54 Mbps thì: TDATA = 1506× 8bits 54Mbps = 223.11µs (2.1.17) 47 TFCS = 4× 8bits 54Mbps = 0.59µs (2.1.18) Đến đây, chuẩn g có sự thay đổi: như chúng ta có thể thấy trong Hình 2.1.6, sau khung MAC có 6 bit khác, được gọi là bit đuôi (tail), mất thời gian truyền là: TTAIL = 6bits 54Mbps = 0.11µs (2.1.19) Tiếp theo, có các bit nhồi thêm (pad): chúng được sử dụng để làm cho message là bội số của giá trị NDBPS , là số bit dữ liệu trên mỗi ký hiệu OFDM. Để tính số bit nhồi, chúng ta dùng công thức 2.1.22, ở đó gồm 16 bit của tầng vật lý nhưng phát cùng tốc độ phát dữ liệu, 8× LENGTH là số bit dữ liệu, chính là độ dài toàn bộ của tầng MAC đưa xuống, và 6 bit đuôi bổ sung: NSYM = ⌈ 16 + 8× LENGTH + 6 NDBPS ⌉ (2.1.20) NDATA = NSYM ×NDBPS (2.1.21) NPAD = NDATA − (16 + 8× LENGTH + 6) (2.1.22) trong đó LENGTH là kích thước của khung MAC, trong trường hợp này gồm 1506 byte phần payload, cộng với các phần MAC header và FCS, nên thành 1534 byte. Các bit dịch vụ và bit tail lần lượt gồm 16 và 6 bits. NDBPS có thể được tìm thấy trong Bảng 2.1.3. Đối với 54 Mbps, NDBPS là 216. Vì vậy, số lượng bit pad trong trường hợp này là: NSYM = 16 + 8× 1534 + 6 216 = 57 (2.1.23) NDATA = 57× 216 = 12312 (2.1.24) 48 NPAD = 12312− (16 + 8× 1534 + 6) = 18bits (2.1.25) trong thời gian đó thì TPAD = 18bits 54Mbps = 0.33µs (2.1.26) Tiếp theo là một phần thời gian bổ sung TSIGNAL mất 6µs, được gọi là phần mở rộng tín hiệu sẽ được thêm vào. Đến đây, quá trình truyền của bên gửi đã kết thúc và sau một khoảng thời gian SIFS, bên nhận sẽ gửi biên nhận ACK. Đối với một khung dữ liệu, có một số thời gian cố định đã tính ở trên như sau (tổng cộng 27µs): • PHY header: 20µs • Service bit: 0.3µs • Tail bit: 0.11µs • FCS: 0.59µs • Signal extension: 6µs Những thay đổi của một khung dữ liệu là phần MAC header, gồm 10 byte như 802.11b, phần dữ liệu trống và các bit pad cần được tính toán lại. Theo công thức 2.1.22 chúng ta thu được 82 bit. Vì vậy, tổng thời gian biên nhận là: TACK = 27µs+ 10× 8 + 82bits 54Mbps = 30µs (2.1.27) Cuối cùng, chúng ta có thể tính toán thông lượng lý thuyết cho tải trọng ứng dụng gồm 1470 byte và tốc độ danh nghĩa là 54 Mbps như sau: ThroughputAPP = DataAPP TTRANSMISSION = 1470× 8bits 461.5µs ' 25.48Mb/s (2.1.28) Đối với tất cả các tốc độ đo được, kết quả thu được được tổng hợp trong Bảng 2.1.2 49 Bảng 2.1.2. Các thông lượng lý thuyết trung bình (backoff counter là 15.5 và 0) đối với 802.11g Tầng Tải trọng(payload) Backoff 15.5 Backoff 0 Tốc độ (Mb/s) Tốc độ (Mb/s) 6 12 36 54 6 12 36 54 APP 1470 B 5.09 9.26 20.38 25.48 5.42 10.40 26.88 36.52 UDP 1478 B 5.12 9.31 20.49 25.62 5.45 10.46 27.03 36.72 IP 1498 B 5.19 9.44 20.77 25.97 5.52 10.60 27.39 37.22 LLC 1506 B 5.22 9.49 20.88 26.11 5.55 10.66 27.54 37.42 Bảng 2.1.3. Các tham số điều chế độc lập Modulation Coding rate (R) Coded bits per subcarrier (NBPSC) Coded bits per OFDM symbol (NCBPS) Data bits per OFDM symbol (NDBPS) Data rate (Mb/s) (20 MHz channel spacing) Data rate (Mb/s) (10 MHz channel spacing) Data rate (Mb/s) (5 MHz channel spacing) BPSK 1/2 1 48 24 6 3 1.5 BPSK 3/4 1 48 36 9 4.5 2.25 QPSK 1/2 2 96 48 12 6 3 QPSK 3/4 2 96 72 18 9 4.5 16-QAM 1/2 4 192 96 24 12 6 16-QAM 3/4 4 192 144 36 18 9 64-QAM 2/3 6 288 192 48 24 12 64-QAM 3/4 6 288 216 54 27 13.5 2.2. Nhận xét các kết quả tính thông lượng lý thuyết Trước tiên chúng ta so sánh các kết quả lý thuyết thu được trong các phần 2.1.1 và 2.1.2 về sự hiệu quả (efficiency). Với IEEE 802.11b, theo Bảng 2.1.1 ở trên, ta thấy với tốc độ vật lý 11 Mbps, thông lượng lý thuyết chỉ đạt được 6.97 Mbps hay 63.4%; với tốc độ lý thuyết 5.5 Mbps, thông lượng lý thuyết chỉ đạt 4.18 Mbps hay 76%. Tổng hợp lại ta có Bảng 2.2.1 như dưới đây. Bảng 2.2.1. Hiệu quả của thông lượng lý thuyết tại tầng Ứng dụng của 802.11b Tốc độ (Mb/s) 1 5.5 11 91% 76% 63.4% Với IEEE 802.11g, nhìn Bảng 2.1.2 ở trên, ta thấy với tốc độ vật lý 54 Mbps, thông lượng lý thuyết chỉ đạt 25.48 Mbps hay 47.19%; với tốc độ vật lý 36 Mbps, thông lượng lý thuyết chỉ đạt 20.38 Mbps hay 56.61%. Tổng hợp lại ta có Bảng 2.2.2 như dưới đây. Các bảng 2.2.1 và 2.2.2 cho thấy rằng hiệu quả cao hơn ở tốc độ thấp hơn. Điều này xảy ra bởi vì với một lượng dữ liệu cố định thì ở tốc độ thấp hơn sẽ cần nhiều thời 50 Bảng 2.2.2. Hiệu quả của thông lượng lý thuyết tại tầng Ứng dụng của 802.11g Tốc độ (Mb/s) 6 12 36 54 84.83% 77.17% 56.61% 47.19% gian hơn để gửi, làm giảm ảnh hưởng của các phụ phí thời gian như DIFS, thủ tục quay lui hoặc PHY header lên thông lượng. Tiếp theo chúng ta tính toán sự khác biệt về tỷ lệ phần trăm giữa giá trị danh nghĩa và giá trị thực tế của thông lượng ở cùng một tốc độ. Ví dụ: chênh lệch giữa 5.5 và 6 Mbps (tốc độ danh nghĩa) là 8.33 % được tính theo công thức 2.2.1. Difference(%) = (1− 5.5Mbps 6Mbps )× 100 = 8.33% (2.2.1) Nếu chúng ta tính toán sự khác biệt giữa thông lượng tương ứng của chúng, sẽ thu được 17.88 %. Điều này có nghĩa là giao thức chuẩn 802.11g hiệu quả hơn về thông lượng là 17.88 % so với 802.11b. Và khi so sánh với tốc độ 11 và 12 (Mbps): sự khác biệt giữa tốc độ danh nghĩa vẫn là 8.33 %, nhưng sự khác biệt về thông lượng đã là 24.73 %.Nếu chúng ta sử dụng chế độ b/g hỗn hợp, các client g sẽ mất rất nhiều hiệu suất, Vì vậy, khi biết chắc chắn rằng trong mạng chỉ có các g client, thì tốt hơn hết là vô hiệu hóa tốc độ b trên Access Point. 2.3. Kết luận Qua những tính toán ở trên có thể thấy được giá trị thông lượng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và có thể có nhiều giá trị khác nhau tùy theo điều kiện truyền tin. Việc xác định thông lượng lý thuyết tối đa sẽ giúp việc đánh giá thông lượng mạng theo các giải pháp thực tế hơn như mô phỏng hoặc thực nghiệm có thêm một thước đo để đối chiếu, so sánh kết quả thực hiện. 51 CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁC LUỒNG DỮ LIỆU CÓ ĐỘ ƯU TIÊN KHÁC NHAU 3.1. Đặt vấn đề Với mục đích cung cấp chất lượng dịch vụ (Quality of Service – QoS) cho dữ liệu đa phương tiện, IEEE-802.11e được giới thiệu vào năm 2005 [14] và đã được chấp nhận thành tiêu chuẩn chính thức vào năm 2012 [1]. Tiêu chuẩn này nhìn chung đáp ứng được mục tiêu nâng cao QoS cho dữ liệu đa phương tiện. Tuy nhiên, tiêu chuẩn này không đáp ứng được việc thích nghi thông lượng của các luồng dữ liệu tùy theo các nhu cầu khác nhau, ví dụ tỷ lệ giữa các loại dữ liệu khác nhau như âm thanh (voice), chiếu phim (video) và dữ liệu tùy phát (best effort) trong 802.11e luôn luôn được giữ ở mức cao nhất cho voice và thấp nhất cho best-effort. Tỷ lệ cố định như vậy không đáp ứng được nhu cầu phân chia linh hoạt trong thực tế, và ở trạng thái bão hòa (saturation state), các luồng được phân lớp lưu lượng (Traffic Class – TC) có độ ưu tiên cao thường sẽ chiếm toàn bộ băng thông, cũng như các luồng được phân lớp lưu lượng thấp sẽ rất khó để truy cập kênh truyền. Một vài nghiên cứu đã chỉ ra rằng mặc dù 802.11e đã tập trung vào việc nâng cao QoS, vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải quyết [45, 46]. Nghiên cứu [45] đánh giá hiệu năng EDCA với lưu lượng tích hợp gồm cả voice và dữ liệu, từ đó quan sát thấy việc thiếu hiệu quả tăng lên nếu sự phân loại truy cập kênh truyền chỉ thực hiện trên cơ sở phân loại kiểu lưu lượng. Trong [46], các tác giả đánh giá việc sử dụng cơ chế EDCF trong 802.11e để giải quyết sự mất công bằng tại tầng giao vận trong mạng LAN không dây. Trong khuôn khổ chương này, nội dung luận án sẽ trình bày việc thực hiện đánh giá dựa trên mô phỏng để chứng minh rằng mặc dù 802.11e có thể cung cấp sự phân chia băng thông cho các kiểu dữ liệu đa phương tiện khác nhau, nhưng tỷ lệ phân chia này được cố định. Ví dụ dữ liệu kiểu voice luôn nhận tỷ lệ cao nhất và dữ liệu background luôn là thấp nhất. Do đó, trong một số trường hợp ví dụ như với dữ 52 liệu thời gian thực (real–time) mà cần sự khác biệt dịch vụ cho lưu lượng best effort và lưu lượng dữ liệu biến đổi theo thời gian thực thì 802.11e không thể cung cấp QoS tương xứng với yêu cầu như vậy [47]. Và do đó là cần thiết phải có một cơ chế phân chia linh hoạt hơn. Trong phạm vi nghiên cứu, luận án sẽ giải quyết vấn đề bằng cách đo dữ liệu thực ở mỗi nút nhận dữ liệu trong một khoảng thời gian, rồi tiến hành so sánh với dữ liệu theo lý thuyết để xác định xem cần tăng hay giảm giá trị cửa sổ tương tranh (Contention Window – CW), thuật toán được đề xuất sẽ điều khiển việc tăng hay giảm giá trị CW này để đạt được tỷ lệ phân chia linh hoạt phù hợp với yêu cầu người dùng với nhiều kiểu dữ liệu khác nhau như voice, video và background. 3.2. Một số nghiên cứu liên quan Một số nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế thuật toán kiểm soát truy cập và sử dụng kênh trong mạng LAN không dây đa tốc độ (multi-rate WLAN) để cải thiện hiệu quả và chia sẻ tài nguyên kênh một cách công bằng giữa các nút tranh chấp [48]. Nhằm vào việc mức độ va chạm cao thường xảy ra do cơ chế quay lui hàm mũ nhị phân (Binary Exponential Backoff – BEB) trong trong IEEE-802.11 và việc kênh được chia sẻ có thể bị lạm dụng bởi các nút có tốc độ bit thấp, các tác giả đã đề xuất thuật toán đặt trước có phân biệt (Differentiated Reservation – DR) để giảm xung đột giữa các nút tranh chấp bằng cách đặt bộ đếm ngược của chúng như một giá trị tất định một khi truy cập thành công vào kênh. Hơn nữa, để loại bỏ sự bất thường về hiệu năng, một số nút được phép gửi nhiều gói tin trong một cơ hội truyền tùy theo khả năng của chúng. Hơn nữa, thuật toán đã trình bày việc triển khai thuật toán DR có thể dễ dàng áp dụng cho cả 802.11 802.11 DCF và 802.11e EDCA chỉ với sửa đổi tối thiểu. Ngoài ra, bài báo cũng đánh giá giới hạn của thuật toán DR và đề xuất thuật toán đặt trước phân biệt dựa trên nhóm (Group-Based Differentiated Reservation – GDR) được áp dụng cho các kịch bản có mật độ cao. Kết quả phân tích lý thuyết và mô phỏng xác thực rằng các thuật toán được đề xuất (DR và GDR) có thể thu được thông lượng cao, tính công bằng trong thời gian phát sóng tốt và tỷ lệ va chạm thấp. Trong nghiên cứu về một cơ chế truy cập công bằng trong các mạng IEEE- 802.11e [49], tác giả đã đánh giá một số cơ chế được đề xuất. Theo các điểm mạnh và điểm yếu của các cơ chế đó, tác giả đã đề xuất một cơ chế mới để xác định cơ hội 53 truyền TXOP. Thuật toán này xem xét tốc độ dữ liệu, tỷ lệ lỗi kênh và độ dài gói dữ liệu để tính toán các TXOP thích ứng cho các trạm. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán đề xuất đạt được mức công bằng tốt hơn, và cũng đạt được thông lượng cao hơn và độ trễ thấp hơn trong mạng. Một số nghiên cứu trước đây về QoS của IEEE-802.11 đã chứng minh rằng các tham số 802.11 có thể được điều chỉnh để có hiệu năng mạng tốt hơn bằng cách tối đa hóa thông lượng dựa trên các tình huống mạng hiện tại [12] [13]. Và 802.11 cũng cho phép điều chỉnh tham số sao cho một số dịch vụ có thể được cung cấp và đưa ra một số đảm bảo về QoS [50]. Nhưng các cách tiếp cận này không cung cấp các mức độ ưu tiên khác nhau dẫn đến sự phát triển của chuẩn 802.11e để điều chỉnh linh hoạt các tham số nhằm cung cấp hiệu suất và QoS tốt hơn. Trong nghiên cứu [51], hiệu ứng của sự thay đổi các kích thước CW khác nhau được tìm hiểu. Công việc này cho thấy CWmin mặc định trong 802.11 dẫn đến hiệu suất mạng kém hơn và thấy rằng trong các tình huống có số lượng trạm ít, CWmin với các giá trị nhỏ làm tăng đáng kể xác suất va chạm, giảm thông lượng tổng thể và tăng độ trễ. Tuy nhiên, khi mạng được sử dụng hoàn toàn hiệu suất, xác suất truyền khi không có trạm cũng sẽ tăng vì số lượng trạm được tăng lên. Nghiên cứu này cũng phát hiện ra khi một trạm phát đang truyền, thông lượng được tăng lên rất lớn khi giá trị CWmin nhỏ do môi trường truyền vật lý có ít thời gian rảnh rỗi (idle). Hiệu quả của việc kiểm soát động đối với việc ưu tiên QoS đã được trình bày trong [52]. Các tác giả cho thấy thiết kế của IEEE-802.11e làm tăng khả năng va chạm và tăng độ trễ bằng cách thêmmột lớp tranh chấp. Trong các mạng IEEE-802.11 thông thường, các va chạm duy nhất có thể xảy ra là giữa các trạm khi chúng cố gắng truy cập vào phương tiện để truyền gói tin ở đầu hàng đợi gửi. Nhưng ngược lại với 802.11 chỉ có một loại dữ liệu, vì 802.11e chia thành nhiều lớp dữ liệu và mỗi lớp có hàng đợi riêng, sau đó các xung đột ảo có thể xảy ra khi mỗi hàng đợi lớp lưu lượng truy cập (Traffic Class – TC) phải tranh giành quyền truy cập trong bộ quản lý hàng đợi của trạm, cũng như các va chạm thực sự xảy ra khi hàng đợi chiến thắng được phép truyền. Kết quả trong [52] cho thấy thông lượng trong 802.11e bị giảm và độ trễ tăng lên khi so sánh với các mạng 802.11a do sự tranh chấp thêm này. Do đó, việc điều 54 chỉnh động các tham số mạng là cần thiết để đạt được lợi ích từ việc ưu tiên QoS. Trong bài báo [53], các tác giả mở rộng cách tiếp cận cho mạng IEEE-802.11e, trong đó các lớp QoS khác nhau được xác định và chỉ ra cách tìm các kích thước CW tối ưu của loại dữ liệu sinh ra thông lượng tổng hợp tối đa trong khi vẫn duy trì được sự khác biệt của thông lượng mục tiêu giữa các lớp dữ liệu còn lại. Tuy nhiên, cách tiếp cận này chủ yếu dựa trên các mô hình toán học với các giả định khó nhận biết được bằng mô phỏng hoặc trong thực tế. Trong [54], các tác giả đánh giá cách một mạng có các nút IEEE-802.11b và 802.11e hoạt động với các tham số tranh chấp EDCA khác nhau và mức độ trễ và thông lượng bị ảnh hưởng bởi các tham số này như thế nào. Các nút 802.11b đại diện cho lưu lượng background trong khi các nút 802.11e đại diện cho lưu lượng có ưu tiên cao. Bốn tham số tranh chấp khác nhau được kiểm tra: kích thước ban đầu của cửa sổ tương tranh (CWmin), kích thước tối đa của cửa sổ tương tranh (CWmax), khoảng cách giữa các khung thời gian (AIFS), yếu tố bền bỉ (PF ). Các tham số này có thể được điều chỉnh để phân biệt lưu lượng 802.11e với lưu lượng 802.11b có trên cùng một mạng. Trong [54], AIFS được thấy là tham số tranh chấp hiệu quả nhất để bảo vệ lưu lượng ưu tiên cao khỏi lưu lượng truy background. Các tác giả cho thấy rằng sử dụng PF và CWmin để phân biệt có thể có lợi thế đạt hiệu năng tốt hơn lưu lượng ưu tiên thấp. Tham số CWmin có thể được mô tả như một sự thỏa hiệp với các tham số khác, ví dụ AIFS và tham số này có thể được coi là hiệu quả nhất đối với các nút có mức độ ưu tiên cao. Một phương pháp khác sử dụng cơ chế bảo vệ hai mức cho lưu lượng voice và video trong mạng LAN không dây IEEE 802.11e [55]. Trong mức một, các luồng voice và video hiện có được bảo vệ khỏi các luồng voice và video mới. Trong mức hai, luồng voice và video được bảo vệ khỏi lưu lượng dữ liệu best-effort. Đối với mỗi mức bảo vệ, một vài cơ chế bảo vệ được đề xuất. Kết quả mô phỏng cho thấy cơ chế bảo vệ và bảo đảm hai cấp được đề xuất là rất hiệu quả về mặt bảo vệ và đảm bảo cho các luồng voice và video hiện có cũng như sử dụng hoàn toàn dung lượng kênh. Các tham số IEEE-802.11e có thể được thiết lập dựa trên các điều kiện mạng để cho phép hiệu năng tốt hơn so với việc thiết lập đơn lẻ [56]. Mặc dù các thiết lập 55 này không được thay đổi linh hoạt trong nghiên cứu này, nhưng chúng cho thấy việc thay đổi điều kiện mạng đòi hỏi phải thay đổi các tham số để sử dụng kênh một cách hiệu quả. Những tối ưu hóa này được đánh giá trên một testbed thực tế. Các tác giả đánh giá hai phương pháp chọn CWmin trong các mạng IEEE-802.11e dựa trên sự công bằng theo tỷ lệ và công bằng dựa trên thời gian. Họ kết luận rằng sự công bằng theo tỷ lệ trong một mạng dựa trên các trọng số sẽ cung cấp thông lượng cao hơn so với sự công bằng dựa trên thời gian. Nghiên cứu của các tác giả cho thấy CWmin là một tham số quan trọng và có thể được điều chỉnh theo mạng trong trường hợp các nút có hoặc không đảm bảo tính công bằng hoặc phân biệt lưu lượng. Từ nghiên cứu trên đã nghiên cứu, chúng tôi thấy rằng việc chia sẻ lưu lượng theo các loại dữ liệu khác nhau mà không gán các tham số QoS cố định sẽ hiệu quả hơn cho dữ liệu đa phương tiện, đây là loại dữ liệu luôn thay đổi theo nhu cầu của người dùng. Các phần tiếp theo của luận án sẽ trình bày cách tiếp cận để đạt được mục tiêu đó. 3.3. Phân tích thông lượng của IEEE 802.11e EDCA IEEE 802.11e đã giới thiệu một số cải tiến cho DCF và PCF hiện có của IEEE 802.11 với Chức năng phối hợp lai (HCF) [14] [1]. HCF bao gồm hai cơ chế: Truy cập kênh phân tán nâng cao (EDCA), đó là DCF nâng cao và Truy cập kênh được kiểm soát HCF (HCCA), là PCF nâng cao. Cả EDCA và HCCA có thể hoạt động riêng rẽ hoặc cùng nhau, theo hợp đồng của 802.11, trong đó DCF là bắt buộc và PCF là tùy chọn. Mặc dù các nguyên tắc cơ bản của các chức năng ban đầu không được thay đổi, thông tin tăng cường cho phép HCF cung cấp QoS cho các luồng và/hoặc trạm cụ thể. Trong EDCA, các tham số lớp MAC cung cấp mức độ ưu tiên cho mỗi Lớp lưu lượng (TC) theo cách truy cập tranh chấp tương tự như DCF. Các tham số có thể được thao tác là Arbitration Inter-Frame Space (AIFS), Cơ hội truyền tải (TXOP), CWmin và CWmax. Các tham số này được cung cấp các giá trị mặc định tại mỗi trạm cho mỗi TC hoặc chúng có thể được ghi đè bởi Điểm truy cập bằng các khung phối hợp đặc biệt. EDCA sử dụng cơ chế truy cập phương tiện dựa trên phân biệt, phân tán và tranh chấp để tăng cường DCF ban đầu bằng cách cung cấp QoS ưu tiên cho từng 56 loại luồng dữ liệu. Cơ chế EDCA xác định bốn Danh mục truy cập (AC) để cung cấp hỗ trợ phân phối lưu lượng với Ưu tiên người dùng (UP) tại các trạm. Có bốn loại lưu lượng tương ứng với bốn AC: AC_BK, AC_BE, AC_VI và AC_VO tương ứng với nền, nỗ lực tốt nhất, video và lưu lượng thoại tương ứng. Ví dụ: dữ liệu thoại phải được gửi với mức độ ưu tiên cao nhất, vì vậy AC_VO được chọn cho loại dữ liệu này. Giá trị mặc định của AC được mô tả trong Bảng 3.3.1. Lưu ý rằng mặc dù trong Bảng này 3.3.1, EDCA 802.11e đã xác định tám mức ưu tiên mặc định cho các loại dữ liệu khác nhau [1], tuy nhiên, tám không cố định và EDCA 802.11e cho phép ít hơn hoặc nhiều hơn số của tám. Bảng 3.3.1. User Priority và Access Category [1]. Priority UP AC Designation lowest 1 AC_BK Background - 2 AC_BK Background - 0 AC_BE Best effort - 3 AC_BE Best effort - 4 AC_VI Video - 5 AC_VI Video - 6 AC_VO Voice highest 7 AC_VO Voice Các tham số EDCA cho mỗi AC được cho như trong Bảng 3.3.2. Bảng 3.3.2. Giới hạn giá trị cửa sổ tương tranh (CW). AC CWmin CWmax AIFSN TXOP limit (ms) AC_BK 15 1023 7 0 AC_BE 15 1023 3 0 AC_VI 7 15 2 3.008 AC_VO 3 7 2 1.504 Với việc điều chỉnh đúng các tham số EDCA được đặt, hiệu suất lưu lượng từ các loại truy cập khác nhau có thể được tối ưu hóa và có thể đạt được mức độ ưu tiên của lưu lượng. Điều đó có nghĩa là, các tham số này chỉ nhằm mục đích xác định mức ưu tiên cố định cho từng loại dữ liệu: giọng nói luôn có mức ưu tiên cao nhất, sau đó thấp hơn cho video và nền. 57 IEEE 802.11 EDCA sử dụng các tham số khác nhau dẫn đến các mức độ ưu tiên khác nhau cho các luồng dữ liệu [1]. Do đó, mặc dù không có tranh chấp về việc truy cập kênh nhưng giữa các luồng sẽ có sự tranh chấp về việc sử dụng kênh. Điều đó dẫn đến thông lượng khác nhau của mỗi luồng. Tuy nhiên, dữ liệu đa phương tiện không phải lúc nào cũng có mức độ ưu tiên cố định. Trong nhiều trường hợp, cần thay đổi mức độ ưu tiên một cách linh hoạt, do đó việc gán các tham số EDCA cố định cho từng loại dữ liệu sẽ không giải quyết được vấn đề linh hoạt mức ưu tiên như vậy. Để làm rõ vấn đề này, chúng tôi sẽ tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của giá trị kích thước cửa sổ tương tranh (CW ) đến thông lượng trong EDCA 802.11. Chúng tôi đánh giá hiệu suất của 802.11 EDCA bằng cách sử dụng công cụ mô phỏng. Có rất nhiều phần mềm được sử dụng để mô phỏng mạng không dây nhưng giới hạn ở chuẩn 802.11 gốc – chưa có hỗ trợ dữ liệu đa phương tiện như 802.11e. NS2 [22] rất phổ biến cho mô phỏng mạng nhưng nó không hỗ trợ 802.11e. Do đó, chúng tôi đã áp dụng bản mở rộng từ [57]