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 1卒業論文発表

研究の背景・目的

2010/2/1 2卒業論文発表

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

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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)

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アクセスカテゴリ 用途

AC_VO 音声通信AC_VI 映像通信AC_BE Best EffortAC_BK Background

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 5卒業論文発表

R 値

• VoIP (Voice over Internet Protocol) の通信品質の評価指標

• 音声品質クラス

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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

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。

2010/2/1 7卒業論文発表

シミュレーション環境

・・・

・・・

＋

映像300Kbps/ 本

有線端末６台 ( 音声 )

無線端末６台（音声）

有線端末１台 ( 映像 )

無線端末１台 ( 映像 )

無線伝送速度11Mbps

11Mbps2Mbps

11Mbps 11Mbps

通信への影響は？

音声64Kbps/本

2010/2/1 8卒業論文発表

STA1

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 9卒業論文発表

実験 1 : AIFS の変更

2010/2/1 10卒業論文発表

15 秒以降の R値の低下が大き

い

15 秒以降の R値の低下が小さ

い

⇒ 　 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 11

91.443 77.008

59.720 60.076

72.204 83.509

91.307 91.311 91.310

0 20 40 60 80 100

CWmax=0CWmax=1CWmax=3CWmax=7

CWmax=15CWmax=31CWmax=63

CWmax=127CWmax=255

R 値

(UP) CWmin=0, CWmax=α

91.443 77.008

59.720 60.076

72.204 83.509

91.307 91.311

0 20 40 60 80 100

CWmax=0CWmax=1CWmax=3CWmax=7

CWmax=15CWmax=31CWmax=63

CWmax=127

R 値

(UP) CWmin=1, CWmax=α

55.732

63.268

83.668

88.244

91.241

91.244

91.240

0 20 40 60 80 100

CWmax=3

CWmax=7

CWmax=15

CWmax=31

CWmax=63

CWmax=127

CWmax=255

R 値

(UP) CWmin=3, CWmax=α

61.611

88.806

90.620

91.223

91.221

91.233

0 20 40 60 80 100

CWmax=7

CWmax=15

CWmax=31

CWmax=63

CWmax=127

CWmax=255

R 値

(UP) CWmin=7, CWmax=α

CWmax=63以上で R 値最

大

実験 2 : CW の変更（上りトラヒック）

2010/2/1 卒業論文発表 12

88.370 72.531

55.238 70.972

79.894 81.447

91.344 91.334 91.344

0 20 40 60 80 100

CWmax=0CWmax=1CWmax=3CWmax=7

CWmax=15CWmax=31CWmax=63

CWmax=127CWmax=255

R 値

(DOWN) CWmin=0, CWmax=α

78.706 58.695

68.243 77.963

87.488 91.318 91.307 91.311

0 20 40 60 80 100

CWmax=1CWmax=3CWmax=7

CWmax=15CWmax=31CWmax=63

CWmax=127CWmax=255

R 値

(DOWN) CWmin=1, CWmax=α

62.666

71.462

81.079

84.988

91.283

91.289

91.281

0 20 40 60 80 100

CWmax=3

CWmax=7

CWmax=15

CWmax=31

CWmax=63

CWmax=127

CWmax=255

R 値

(DOWN) CWmin=3, CWmax=α

71.378

71.205

76.910

90.052

91.266

91.267

0 20 40 60 80 100

CWmax=7

CWmax=15

CWmax=31

CWmax=63

CWmax=127

CWmax=255

R 値

(DOWN) CWmin=7, CWmax=α

CWmax=63以上で R 値最

大

実験 2 : CW の変更（下りトラヒック）

実験 3 : TXOP の変更

STA1 の変更 AP の変更

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TXOP

１５秒までの

平均 R 値

１５秒以降の

平均 R 値

1632

79.135865.0665

3264

80.766563.2675

6528

81.089370.0513

13056

79.963064.0293

26112

79.007669.7243

52224

81.044569.7269

TXOP に設定する値• 1632, 3264(default), 6528, 13056, 26112, 52224

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

83.6221971.46168

6528

77.7326678.65652

13056

79.8522478.50139

26112

79.5896572.30304

52224

79.4500270.23815

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

これを提案パラメータとする。

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AIFS CWmin CWmax TXOP

STA1 1 0 63 6528

AP 1 0 63 6528

提案パラメータの検証

2010/2/1 卒業論文発表 15

改善

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90.84738 89.07711

下りトラヒック

0-15 秒の平均

15-30秒の平均

デフォルト

78.2133975.3389

3

提案 88.6383189.4826

4

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。

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HCCA の動作概要図

2010/2/1 卒業論文発表 18

QoSCF-Poll

ACK

QoSデータ

QoS CF-Poll で指定されたTXOPQoS CF-Poll で許可された送信期

間

SIFS

SIFS SIFSQoSデータ

QoSデータ

ACK

ACK

（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。

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（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

2010/2/1 卒業論文発表 21

無線空間

PC + シナリオ

PC + シナリオ

PC + シナリオ

PC + シナリオ

無線 LANアクセス・ポイン

ト ステーション ( 無線ＬＡＮ　カー

ド )

ステーション ( 無線ＬＡＮ　カー

ド )

（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 22卒業論文発表

（補足） EDCA を選んだ理由

2010/2/1 卒業論文発表 23

（補足） R 値の計算式

• R 値 = R0 – Is – Id – Ie + A

• R0 : 回線雑音、送受話室内雑音による劣化

• Is : 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

• Id : 送話者エコー、受話者エコー、絶対遅延による劣化

• Ie : 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)– PSQM ＋ PAMS

• R 値2010/2/1 卒業論文発表 26

ネットワーク構成

2010/2/1 27卒業論文発表

IEEE 802.11e 無線 LANアクセスポイント

有線

無線

STA1

・・・

・・・

Voice 6 台 Video 1 台

Voice 6 台 Video 1 台

(補足 ) 実験 1 : AIFS の変更

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

UP=2, DOWN=2UP=1, DOWN=2UP=2, DOWN=1UP=1, DOWN=1

0~15秒と15~30秒の平均R値

up(15-30)

down(15-30)

up(0-15)

down(0-15)

2010/2/1 28卒業論文発表

STA1=UP, AP=DOWN

（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 遅延

双方向通信（ 16-384kbit/s ）

150ms 以下推奨・ 400ms 以下

一方向通信（ 16-384kbit/s ）

10s 以下

※ITU-T G.1010 勧告

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

2010/2/1 29卒業論文発表

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

Down up

sta2 88.357 82.168sta3 91.02 88.256sta4 88.337 85.217sta5 88.331 88.253sta6 87.579 81.448

2010/2/1 卒業論文発表 34

シミュレーション全体での平均 R値