MARK YANG 1

Adaptive EDCF

Lamia Romdhani, Qiang Ni, and Thierry TurlettiIEEE WCNC'03, March 16-20, 2003.

(Wireless Communications and Networking Conference)

Enhanced Service Differentiationfor IEEE 802.11 Wireless Ad-Hoc

Networks

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Outline

Abstract

Introduction

AEDCF Scheme

Simulation

Conclusion

MARK YANG 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

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Introduction ： 802.11 Family

802.11a

802.11b

802.11d

802.11e

802.11f

802.11g

802.11h

802.11i

802.11j

： 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

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Introduction ： 802.11 Modes

ad-hoc mode(Access method : DCF)

Internet

AP AP

WLAN WLAN

infrastructure mode(Access method : DCF 、 PCF)

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Introduction ： DCF

偵測到 Idle

DIFS

Backoff Time

Transmission

ACK

Idle = DIFS進入 CW

Idle < DIFS (busy)

BT ≠ 0 (busy)

BT = 0

收到 ACK

未收到 ACK

下次進入時繼續倒數Backoff Time = Random() * slot time

Random() = [0,CW] , CWmin CW≦ ≦ CWmax

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)

DCF ： Distributed Coordination Function

CW ： Contention Window

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Introduction ： DCF (Cont.)

IFS ： Inter-Frame Spacing SIFS ： Short IFS (ACK 、 RTS 、 CTS)

所有 Station 用相同之 priority 競爭 resource & channel

PIFS ： PCF IFS DIFS ： DCF IFS

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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)

RTS CTS

A B C

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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

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Introduction ： EDCF

AIFS ： Arbitration Inter-Frame Space AIFS DIFS (AIFS = DIFS + 0 ≧ 或數個 time slots)

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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

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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)

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Introduction ： EDCF (Cont.)

AIFS Audio = Video < Data

CWmin & CWmax Audio < Video < Data

TXOP ： [ 0 ~ 255 ] ， Units of 32 μs (Max: 8.16ms)

AIFS time = SIFS(16μs in 802.11a) + AIFS(in number) * slot_time(9μs in 802.11a)

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(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

AEDCF Scheme

根據網路情況動態調整 CW 值

(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] 重設為 CWmin[i]

EDCF ： CWnew[i] = min ( CWmax[i] , 2 * CWold [i] )

(CWold[i] + 1) * PF[i] -1

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, 0 i 7≦ ≦

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

避免 CWnew 小於 CWmin

AEDCF Scheme (Cont.)

每次成功傳輸之後 ……

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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 …… CWnew[i] = min ( CWmax[i] , CWold[i] * PF[i] ) , 0 i 7≦ ≦

Priority 越高 ==> PF[i] 越低

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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

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Simulation – Effect of traffic load

環境 三種不同 priority 的 queues

priority queues highest medium low

packet size 160 bytes 1280 bytes 200 bytes

inter-packet interval 20 ms 10 ms ?

sending rate 64 Kbit/s 1024 Kbit/s 128 Kbit/s

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%)

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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

Ｍ ean 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

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Simulation – Effect of traffic load (Cont.)

Load rate (Stations) Mean delay of AEDCF is % small than EDCF/SD

88% (26) (EDCF-AEDCF)/AEDCF = (6.2-4.1)/4.1 = 51%

149% (44) (EDCF-AEDCF)/AEDCF = (17.8-11.5)/11.5 = 38% 55%

149% (44) (SD-AEDCF)/AEDCF = (16.5-11.5)/11.5 = 30% 44%

EDCFSD

AEDCF

當 station > 13 時， EDCF delay 快速上昇

AEDCF 絕大部份維持著 mean delay < 10 ms

當 traffic load 非常高的時候，AEDCF 仍能維持較低的 delay

13 26

4.1

6.2

10

44

11.5

16.5

17.8

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Simulation – Effect of traffic load (Cont.)

Load rate (Stations) Goodput of AEDCF is % higher than SD

119% (35) (AEDCF-SD)/AEDCF = (23.5-16.5)/16.5 = 28% 42%

149% (44) (AEDCF-SD)/AEDCF = (27.2-15.7)/15.7 = 10% 73%

SD

AEDCF

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

44

27.2

15.7

23.5

35

16.5

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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

SD

AEDCF

EDCD

AEDCF

SD

EDCD

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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)

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Simulation – Effect of traffic load (Cont.)

Audio packets AEDCF 最大 delay 小於 20 ms ， EDCF 最大 delay 則大於 30ms

Video packets 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

Latency distributions of audio

AEDCF

EDCF

Latency distributions of video

AEDCF

EDCF

超過 85%

30%

200 ms20 ms 30 ms

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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