the study of the performance in ieee 802.11e edca
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The Study of the performance in IEEE 802.11e EDCA. Student :Fu-Yuan Chuang Advisor : Ho-Ting Wu Date : 2008.1.14. Outline. Introduction to IEEE 802.11e Proposed Contention Window Adjustment Algorithm Introduction to Fuzzy Control Method Simulation result Conclusion and Future Work. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Student :Fu-Yuan ChuangAdvisor : Ho-Ting WuDate : 2008.1.14
The Study of the performance in IEEE 802.11e EDCA
• Introduction to IEEE 802.11e
• Proposed Contention Window Adjustment Algorithm
• Introduction to Fuzzy Control Method
• Simulation result
• Conclusion and Future Work
Outline
New terminology QAP – QoS Access Point QSTA – QoS Station HC – Hybrid Coordinator
A new mechanism defined in IEEE 802.11e – Hybrid Coordination Function (HCF)
HCF has two access mechanisms Contention based
Enhanced distributed channel access (EDCA) Controlled channel access
HCF Controlled Channel Access (HCCA)
Introduction of IEEE 802.11e
IEEE 802.11 MAC architecture
DistributedCoordination Function
(DCF)
PointCoordinati
on Function
(PCF)MACExtent
Required for Contention Free Services
Required for Contention Free Services
Used for Contention Servicesand basis for PCFUsed for Contention Servicesand basis for PCF
IEEE 802.11e MAC architecture
DistributedCoordination Function
(DCF)
PointCoordinati
on Function
(PCF)MACExtent
Required for Contention Free Services for non-QosSTA, optional otherwise
Required for Contention Free Services for non-QosSTA, optional otherwise
Used for Contention Services and basis for PCF
Used for Contention Services and basis for PCFHCF
Contention
Access(EDCA)
HCFContentio
nAccess(EDCA)
HCFControlle
dAccess(HCCA)
HCFControlle
dAccess(HCCA)
Required for Parameterized Qos Services
Required for Parameterized Qos Services
Required for Prioritized QoS Services
Required for Prioritized QoS Services
• EDCA defines four Access Categories (AC)– Voice– Video– Best Effort– Background
• An AC is an enhanced variant of the DCF which contends for TXOP using the following parameters: CWmin[AC], CWmax[AC], AIFS[AC]
• The QAP announces the EDCA parameters in selected Beacon frames and in all Probe Response and (Re)Association Response frames
Enhanced Distributed Channel Access (EDCA)
Priority
UP(Same as 802.11D
user priority)
802.11Ddesignatio
nAC
Designation
(informative)
Lowest
Highest
1 BK AC_BK Background
2 -- AC_BK Background
0 BE AC_BE Best Effort
3 EE AC_BE Best Effort
4 CL AC_VI Video
5 VI AC_VI Video
6 VO AC_VO Voice
7 NC AC_VO Voice
UP-to-AC mappings
8 UPs mapping to 4 Access Category(AC)
8 User Prioritys per QSTA
Higher PriorityLower Priority
AC [0] AC [1] AC [2] AC [3]
BackoffAIFS[0]
CWmin[0]CWmax[0]
BackoffAIFS[1]
CWmin[1]CWmax[1]
BackoffAIFS[2]
CWmin[2]CWmax[2]
BackoffAIFS[3]
CWmin[3]CWmax[3]
Virtual Collision Handler
Transmissoin Attemp
• BackoffTime = Random() * aSlotTime• Random() = [0, CW]• aCWmin ≤ CW ≤ aCWmax• If successful transmission then
CW = aCWminelse
CW = (CW + 1) * 2 - 1
IEEE 802.11 DCF
DIFSBusy
MediumBusy
Medium Next FrameNext FrameBackoff-WindowSIFS
PIFS
DIFSContention Window
Contentions among Different ACs in EDCA
DIFS/AIFSBusy
MediumBusy
Medium Next FrameNext FrameHigh Priority AC
Medium Priority AC
Low Priority AC
SIFS
PIFS
AIFS[2,3]=DIFS
AIFS[1]
AIFS[0]
Backoff Slots
Contention among EDCAFs (AC, AIFS, CWmin , CWmax ) to win a TXOP
EDCA Parameter Set elementElement ID
(12)Length
(18)QoSInfo Reserved
AC_BEParameter
Record
AC_BKParameter
Record
AC_VIParameter
Record
AC_VOParameter
Record
1 1 1 1 4 4 4 4
ACI / AIFSN ECWmin /ECWmax
TXOP Limit
1 1 2
AIFSN ACM ACI Reserved
B0 B3 B4 B5 B6 B7
ECWmin ECWmax
B0 B3 B4 B7
ACM : admission control mandatory
ACI : Access category identify0 ≤ CWmin = 2ECWmin – 1 ≤ 32767
0 ≤ CWmax = 2ECWmax - 1 ≤ 32767
Default EDCA Parameter Set element parameter
AIFS[AC] = AIFSN[AC] × aSlotTime + aSIFSTimeaCWmin = 15aCWmax = 1023aSlotTime = 9 usaSIFSTime = 16 us
• Using the default CWmin is not always adaptive under various situations of network– Only a few of QSTAs
• Waste the waiting time
– Many QSTAs• High collision probability
Problem description
• In order to solve the problem, we make QAP dynamically adjust the contention window size of each AC and broadcast the result to all QSTAs every beacon interval
• The contention window size of each kind of AC should be adaptive to system loading
Idea
• CWmini : new CWmin for each ACs• CWmin_oldi : announced by QAP in the last time• αi : the degree of the effect of ACi, 0 ≤ αi ≤ 1• defaultCWmin ≤ CWmin ≤ 32767• Use Fuzzy control method to obtain the αi
Proposed Algorithm
iii oldCWCW min_2min
Fuzzy Control architecture
模糊化Fuzzification
解模糊化Defuzzificatio
n
模糊規則庫Fuzzy Rule
模糊推論Fuzzy
Inference
input output
• 找出有意義之狀態加以觀測當作是控制器的輸入變數,同時也找出所需的控制系統的參數當作輸出變數。
• 例如:希望藉由氣溫來判斷該穿多少件衣服則氣溫為輸入變數,穿衣服的量為輸出變數
• In our algorithm:– 輸入變數: (1.) 碰撞所佔的時間比例
(2.)ACi 對網路系統效能的影響程度– 輸出變數: ACi 影響網路狀況的程度
(1.) 定義輸入輸出變數
• 模糊集合 (Fuzzy set) :– 將一個集合的特性函數 ΦA(x) 是介於 0 與 1 之間,也
就是說, x 屬於集合 A 之程度有輕重大小之分。如此這個集合 A 就是一個不明確的元素隸屬關係,這樣的集合稱之為「模糊集合」。
• 歸屬函數 (Membership function) :– 模糊集合的特性函數通常稱之為「歸屬函數」。– 常見的歸屬函數的形狀有梯形、三角形和高斯函數圖
形。
(2.) 定義歸屬函數
• 範例:– 若輸入變數為年齡,將年齡分成三個模糊集合分別為
A1( 年輕人 ) 、 A2( 中年人 ) 和 A3( 老年人 ) ,其年齡的歸屬函數定義如下圖。
(2.) 定義歸屬函數 (cont.)
• 輸出變數: – ACi 影響網路狀況的程度,所以我們將影響的程度區分
成五類,語句變數 (Linguistic Variable) 分別為” VL( 很低 )” 、” L( 低 )” 、 ” M( 適中 )” 、 ” H( 高 )” 與” VH( 很高 )” ,其歸屬函數如下圖
(2.) 定義歸屬函數 (cont.) – in our algorithm
• 輸入變數:– (1.) 碰撞所佔的時間比例
• 定義了三個模糊集合,分別為” L( 碰撞機率低 )” 、” M( 碰撞機率適中 )” 與” H( 碰撞機率高 )” 。
(2.) 定義歸屬函數 (cont.) – in our algorithm
• 輸入變數:– (2.) ACi 對網路系統效能的影響程度
• AC 的連線數目• 比自己高優先權的 CWmin• 自己本身的 CWmin• 定義了三個模糊集合,分別為” L( 影響低 )” 、
” M( 影響適中 )” 與” H( 影響高 )”
(2.) 定義歸屬函數 (cont.) – in our algorithm
AC0 AC1
AC2 AC3
• 有一個宇集合 X ,其中一個元素,假使經過一個程序成為一個以 X 為宇集合之模糊集合 A ,這個程序就稱為”模糊化 (Fuzzification)” 。
• 範例:– 以上一個例子為例,若輸入年齡為 25 歲,經由模糊化
可得:
(3.) 模糊化
μ A1(25) = 0.75 (表示年齡 25歲屬於年輕人的程度是0.75)μ A2(25) = 0.25 (表示年齡 25歲屬於中年人的程度是0.25)μ A3(25) = 0 (表示年齡 25歲屬於老年人的程度是 0)
• 設計者可依據過去的經驗、控制知識與系統的特性,擬定適合的控制策略。一個模糊規則庫是由多個模糊推理句,” if…...then…...” 組合而成。
• In our algorithm– X1 : 碰撞所佔的時間比例– X2 : AC 對網路系統效能的影響程度
(4.) 模糊規則庫
L M H
L VL L M
M L M H
H M H VH
X1X2
• 將輸入的模糊變數轉換成模糊輸出變數,這可說是模糊控制的核心。
• 利用歸屬函數取得各規則的適合程度,然後綜各則的適合程度得到適當的推論,即使規則條件部分的命題不完全一致,也能一句一致的高低比較得到合適的推論
• Minimum Inference Engine
(5.) 模糊推論
• ( 碰撞所佔的時間比例 , AC3 對網路系統效能的影響程度 ) = (0.1, 0.04)
• 模糊化:– 碰撞所佔的時間比例 (X1) :
• μL (0.1) = 0.5• μM (0.1) = 0.5
– AC3 對網路系統效能的影響程度 (X2) :• μL (0.04) = 2/3• μM (0.04) = 1/3
Minimum Inference Engine - ex
L M H
L VL L M
M L M H
H M H VH
X1X
2
Minimum Inference Engine - ex碰撞所佔的時間比例 AC3 對網路系統效能的影響程度 輸出
0
1
0.2 0
1
0.02 0.08 0
1
0.25
L L VL
0.1 0.04
0.5 0.52/3
0
1
0.2 0.02 0.08 0
1
0.25
L M L
0.10.04
0.51/3 1/3
0.14
碰撞所佔的時間比例 AC3 對網路系統效能的影響程度 輸出
L
0
1
0.2 0
1
0.25
M L
0.1
0.5 0.5
0.4 0.6 0
1
0.02 0.080.04
2/3
0
1
0.2
M
0.1
0.5
0.4 0.6 0.02 0.08
M
0.04
1/3
0.14 0.75
M
0.25 0.5
1/3
0
1
M
0.5
VL L
• 將模糊推論所獲得的結果一個模糊集合 B(y) , y Y ,轉換至一個明確值 y* 的動作。也就是說找一個最適合代表模糊集合 B(y) 的明確點 y* Y 。
• 重心解模糊化法 (Center of Gravity Defuzzification, CGD)
(6.) 解模糊化
Physical Rate 36Mbps
aSlotTime 9us
SIFS 16us
DIFS 34us
ACK frame Size 14bytes
Beacon Interval 100ms
Simulation – parameter setting
Voice Video Best Effort Background
AIFSN 2 2 3 7
Packet Size 160 bytes 660 bytes 1280 bytes 1600 bytes
Packet Interval 20 ms 18 ms 16 ms 12.5 ms
Mean Data Rate 8 KB/s 36 KB/s 80 KB/s 128 KB/s
Voice Video Best Effort Background
CWmin 7 15 31 31
CWmax 15 31 1023 1023
CSMA/CA 相關模擬參數設定
EDCA 相關參數設定
IEEE 802.11e CWmin 、 CWmax 預設值設定
• Traffic generation– Connection arrival:
• Exponential random variable with λ– Connection duration
• Exponential random variable with 0.2• Environment
– Simulation time : 200s– Number of QSTAs : 30– QAP announce EDCA Parameter Set : 3 beacon
interval
Simulation – parameter setting(cont.)
• There are 4 ACs in a QSTA
Simulation-1
Simulation-1 AC throughput
Simulation-1 AC throughput
Simulation-1 AC delay
Simulation-1 AC delay
• There are 2 ACs in a QSTA : AC2, AC3
Simulation-2
Simulation-2 AC throughput
Simulation-2 AC delay
• There is only one AC in a QSTA : AC3
Simulation-3
Simulation-3 AC delay
• 所提出模糊控制動態調整競爭窗口的演算法是可以比標準 IEEE 802.11e 獲得更高的效能。– Light loading:
• CWmin 最小值為原本標準的預設值,因此整體的效能就與標準 IEEE 802.11e 相當。
– High loading:• 有效的提升系統的 throughput 、降低系統碰撞的
機率,降低各個 AC 的 delay 時間。
Conclusion
• Fuzzy control system:– 因為模糊控制系統的設計,導致於必須在網路輕負載
的情況做犧牲,只有辦法與原本標準 IEEE 802.11e的效能相當。
• Other QoS control:– Admission control
Future work