第3回卒業論文進捗報告

(1)

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

(2)

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

(3)

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

(4)

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)

2010/2/1

卒業論文発表

4 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 Effort

(5)

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。

(6)

R値

• VoIP (Voice over Internet Protocol) の

通信品質の評価指標

• 音声品質クラス

2010/2/1

卒業論文発表

6 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

(7)

実験

実験1・・・AIFSの変更

実験2・・・CWの変更

実験3・・・TXOPの変更

実験4・・・最適なパラメータの検討、検証

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

卒業論文発表

7

(8)

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

11Mbps 2Mbps

11Mbps

_11Mbps

通信への

影響は？

音声

64Kbps/本

2010/2/1

卒業論文発表

8 STA1

(9)

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

(10)

実験1 : AIFSの変更

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 R 値 time

STA1のAIFS=2, APのAIFS=2 (Default)

down up 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 R 値 time

STA1のAIFS=1, APのAIFS=1

down up

2010/2/1

卒業論文発表

10 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。

(11)

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=0 CWmax=1 CWmax=3 CWmax=7 CWmax=15 CWmax=31 CWmax=63 CWmax=127 CWmax=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=0 CWmax=1 CWmax=3 CWmax=7 CWmax=15 CWmax=31 CWmax=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

(12)

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=0 CWmax=1 CWmax=3 CWmax=7 CWmax=15 CWmax=31 CWmax=63 CWmax=127 CWmax=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=1 CWmax=3 CWmax=7 CWmax=15 CWmax=31 CWmax=63 CWmax=127 CWmax=255 R 値

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

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

CWmax=63

以上でR値最大

(13)

実験3 : TXOPの変更

STA1の変更

APの変更

2010/2/1

卒業論文発表

13 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

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

83.62219

71.46168

6528

77.73266

78.65652

13056

79.85224

78.50139

26112

79.58965

72.30304

52224

79.45002

70.23815

(14)

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。

2010/2/1

卒業論文発表

14 AIFS

CWmin

CWmax

TXOP

STA1

1

0

63 6528

AP

1

0

63 6528

(15)

提案パラメータの検証

2010/2/1

卒業論文発表

15

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

2

4

6

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

R

値

time

down (default)

down (proposal)

up (default)

up (proposal)

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

78.21339 75.33893

提案

88.63831 89.48264

(16)

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

(17)

ご清聴ありがとうございました。

(18)

HCCAの動作概要図

2010/2/1

卒業論文発表

18 QoS

CF-Poll

A

C

K

QoS

データ

QoS CF-Pollで指定されたTXOP

QoS CF-Pollで許可された送信期間

SIFS

QoS

データ

QoS

データ

A

C

K

A

C

K

(19)

（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

(20)

（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。

(21)

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)

(22)

（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

(23)

（補足）EDCAを選んだ理由

EDCA

アクセスカテゴリごとに優先度を変更することが可能

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

(24)

（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

(25)

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

(26)

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

(27)

ネットワーク構成

2010/2/1

卒業論文発表

27 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

(28)

(補足)実験1 : AIFSの変更

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95 UP=2, DOWN=2

UP=1, DOWN=2

UP=2, DOWN=1

UP=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

卒業論文発表

28 STA1=UP, AP=DOWN

(29)

（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

卒業論文発表

29

(30)

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

(31)

（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

(32)

（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

(33)

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

(34)

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

82.168 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 シミュレーション全体での平均R値

第3回卒業論文進捗報告

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

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)

2010/2/1

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4

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 Effort

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。

R値

• VoIP (Voice over Internet Protocol) の

通信品質の評価指標

• 音声品質クラス

2010/2/1

卒業論文発表

6

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

実験1・・・AIFSの変更

後藤研究室学部4年

_R値

_11Mbps

_{低下が小さい}