1 - 早稲田大学

1
IEEE 802.11e 動的パラメータによる
双方向トラフィックの通信品質向上
早稲田大学大学院
基幹理工学研究科情報理工学専攻
後藤研究室修士２年
5108B032-0 栢沼圭輔
< [email protected] >
研究の背景
 無線通信の需要増加
 音声・映像通信などコンテンツは多種多様
 Best Effort 型インターネット
 サービスに適したQoS（Quality of Service）が必要
IEEE 802.11e
 使用環境に限らずデフォルトパラメータが使われる
 必ず通信品質が保たれるとは限らない [1]
 動的にパラメータを調整することで品質が向上 [2]
 品質改善において上下トラフィックが考慮されていない
2
研究の目的
IEEE 802.11e 動的パラメータによる
双方向トラフィックの通信品質向上
 通信内容の変化に対して、上下トラフィック毎
に品質低下がみられたトラフィックのＥＤＣＡ
パラメータを変更する事でＱｏＳを保証
 パラメータ変更が他のトラフィックに与える影
響を最小限に抑えられるようパラメータ調整
3
IEEE 802.11e
 IEEE 802.11a/bがベース
 セキュリティ機能、QoS機能を追加
 ２種類のQoS技術
 EDCA
 ４つのカテゴリにより優先制御
 HCCA
 ポーリング制御技術による帯域割り当て制御
ＥＤＣＡを使用
4
ＥＤＣＡ
5
 CSMA/CAを拡張したアクセス制御方式
 優先度の高いフレームを先に送る
 ４種類のAC（Access Category）に分解
⇒ 優先順位を付ける
アクセス・カテゴリ
AC_VO
用途
音声通信用
AC_VI
AC_BE
映像通信用
AC_BK
バックグランドトラフィック用
ベストエフォート用
ＥＤＣＡパラメータ
6
 ＣＷ（ＣｏｎｔｅｎｔｉｏｎＷｉｎｄｏｗ）
 送信待ち時間を決める乱数パラメータ
 ＡＩＦＳ（Ａrbitration IFS）
 フレーム送信間隔を表すパラメータ
 ＴＸＯＰ（Transmission Opportunity）
 チャネルを排他的に使用できる時間
表. デフォルトパラメータ
CWmin CWmax
AIFS
TXOP
AC_VO
AC_VI
3
7
2
3264
7
15
2
6016
AC_BE
AC_BK
15
1023
3
0
15
1023
7
0
7
実験
シミュレータによる実験
提案手法
VIDEO
トラフィック
8
ＶＯＩＰ
ＶＯＩＰ
トラフィック
トラフィック
増加
他のトラフィックに影響が
劣化の生じたACのトラフィック（上下トラ
通信品質が低下したトラフィックを発見
フィック毎）のパラメータを動的に変更
でないよう品質を向上させる
評価手法
9
音声通信
クラス
Ｒ値
遅延
Ａ
８０超
１００ms未満
Ｂ
７０超
１５０ms未満
Ｃ
５０超
４００ms未満
TTC標準JJ-201.01
映像通信
通信種類遅延
一方向通信
10s 以下で使用可能
双方向通信
150ms 以下推奨
400ms 以下で使用可能
ITU-T G.1010
10
実験１～３
ＡＩＦＳの値を変更
実験１～３
概要
・実験時間：３０ｓ
11
・トラフィック（0～9s）
- 音声： 384kbps
- 映像：3000kbps（3Mbps）
- トラフィック変化（10s）
--- 実験１
音声：+ 128kbps
VIDEO
トラフィック
--- 実験２
！！！
映像：+1000kbps
ＶＯＩＰ
トラフィック
--- 実験３
音声：+ 128kbps
映像：+1000kbps
・ＥＤＣＡパラメータ
- default（0～19s）
- パラメータ変更（20s）
通信品質が低下した
パラメータの変更
トラフィックを発見
＜パラメータ変更ルール＞
品質低下がみられたカテゴリの
トラフィックのAIFSを２→１へ
変更
実験１、２
結果
12
 実験１
 音声通信 +128kbps
 実験2
 映像通信 +1000kbps（1Mbps）
 共に上り音声通信トラフィックのR 値がクラスCとC以下
を行き来するまで品質低下
 上り音声通信トラフィックのAIFSを2 ⇒ 1へ変更
 クラスC基準まで向上
# 他トラフィックへの影響なし
Delay [AC_VI]（ｍｓ）
音声通信
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
down
up
0
2
4
6
8
クラスＣとＣ以下
を行き来
R値 [AC_VO]
down
up
遅延400msを大幅
に超えてしまう
0
2
4
6
8
時間（ｓ）
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
時間（ｓ）
下り映像通信のAIFSを2⇒1へ
音声通信
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
13
映像通信
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
クラスＣ以下
に劣化
down
up
映像通信 150ms以下に向上
1800
Delay [AC_VI]（ｍｓ）
R値 [AC_VO]
実験３（音声 +128kbps、映像 +1000kbps）
down
up
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
時間（ｓ）
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
時間（ｓ）
実験３
結果、考察
14
 音声通信 +128kbps、映像通信 +1000kbps
Ｒ値
下りクラスC
default
Ｄｅｌａｙ
400ms以上
上りクラスC以下 150ms以下
AC_VO（down）
AIFS：2 ⇒ 1
下りクラスC以下 150ms以下
上りクラスC以下 150ms以下
 映像通信
 下りトラフィックの遅延は150ms以下まで向上
 音声通信
 上下トラフィック共にクラスC以下に品質劣化
他トラフィックへ影響
 優先度を高くした下り映像通信トラフィックが他トラフィックを圧迫
 優先度を高く設定する事が必ずしも良いとは限らない
 良くなり過ぎてしまい他のトラフィックに影響
15
実験４
各種パラメータの変更
⇔実験３ではAIFSのみ
実験４
VIDEO
トラフィック
概要（１/２）
ＶＯＩＰ
トラフィック
16
・実験時間：３０ｓ
・トラフィック（0～9s）
- 音声： 384kbps
- 映像：3000kbps（3Mbps）
- トラフィック変化（10s）
音声：+ 128kbps
映像：+1000kbps
・ＥＤＣＡパラメータ
- default （0～19s）
- パラメータ変更（20s）
＜パラメータ変更ルール＞
品質低下がみられたカテゴリの
トラフィックの各パラメータ
（AIFS、CW、TXOP）を変更
実験４
概要（２/２）
 下り映像通信のAIFS：２に固定
 TXOPの値を変更する
 品質に向上が見られない場合
他パラメータ（CW）の優先度を高くする
 品質は向上するが他トラフィックに影響がある場合
他パラメータ（CW）の優先度を低くする
 （参考）各パラメータの優先度について
 CW：送信待ち時間
 値が小さいほど優先度が高い
 AIFS：フレーム送信間隔
 値が小さいほど優先度が高い
17
実験４
提案パラメータ
18
 概要で説明したルールによりパラメータ変更
CWmin CWmax
AC_VI（down）
＜default〉
AC_VI（down）
＜新パラメータ＞
7
15
63
127
AIFS
＃発表時間の都合上、途中経過は省略
TXOP
2
6016
2 48128
実験４（defaultとの比較）
音声通信（下り）
90
90
80
80
70
60
50
40
down
（default）
down
（新パラメータ）
30
20
10
音声通信（上り）
100
クラスＢ基準
まで向上
Ｒ値 [AC_VO]
Ｒ値 [AC_VO]
100
70
60
50
40
up
（default）
up
（新パラメータ）
30
20
10
0
19
0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
時間（ｓ）
時間（ｓ）
映像通信（下り）
2000
down
（default）
down
（新パラメータ）
1800
1600
1400
1200
150ms以下
まで向上
1000
800
映像通信（上り）
70
Ｄｅｌａｙ [AC_VI]（ｍｓ）
Ｄｅｌａｙ [AC_VI]（ｍｓ）
クラスＣ基準
まで向上
600
400
200
0
up
（default）
up
（新パラメータ）
60
50
40
30
20
10
150ms以下
0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
時間（ｓ）
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
時間（ｓ）
実験４
劣化の生じた
通信の各種パ
ラメータ変更
結果、考察（1/2）
Ｒ値
default
新パラメータ
20
Ｄｅｌａｙ
下りクラスC
400ms以上
上りクラスC以下
150ms以下
下りクラスB
150ms以下
上りクラスＣ
150ms以下
 映像通信
 下りトラフィックの遅延は150ms以下まで向上
 音声通信
 下りトラフィックはクラスＢ、上りトラフィックはクラスＣまで向上
実験目的（他トラフィックへの影響を最低限に抑え
たQoS保証）を満たす
実験４
結果、考察（2/2）
21
劣化の生じた
通信の各種パ
ラメータ変更
Ｒ値
default
新パラメータ
Cwmin
Ｄｅｌａｙ
下り
クラスC
400ms以上
上り
クラスC以下
150ms以下
AC_VI（down）
＜default＞
下り
クラスB
150ms以下
AC_VI（down）
上り
クラスＣ
150ms以下
＜新パラメータ＞
CWmax
AIFS
TXOP
7
15
2
6016
63
127
2
48128
 下り映像通信トラフィックのパラメータ変更に伴い、上下音
声通信トラフィックの品質が向上
 ＣＷ（送信待ち時間）を大きく（優先度を低く）設定すること
で、他トラフィックとの競合を避けられる
他のトラフィックの品質にも改善が見られた
# CWの値が小さい方が優先的にアクセス権を取れる
22
実験５
複数カテゴリのパラメータ変更
（優先度を高くする変更）
⇔実験３、４では劣化の生じた
カテゴリのトラフィックのみ
実験５
VIDEO
トラフィック
概要
・実験時間：３０ｓ
23
・トラフィック（0～9s）
- 音声： 384kbps
- 映像：3000kbps（3Mbps）
- トラフィック変化（10s）
音声：+ 128kbps
映像：+1000kbps
ＶＯＩＰ
トラフィック
・ＥＤＣＡパラメータ
- default （0～19s）
- パラメータ変更（20s）
＜パラメータ変更ルール＞
・複数カテゴリのトラフィックに着目
・優先度を高くする変更のみ
・パラメータ変更後、劣化して
いるトラフィック数が
-- ２つ以上の場合
⇒他のパラメータを変更
-- １つの場合
⇒劣化したトラフィック
のパラメータを変更
実験５
提案パラメータ
24
 概要で説明したルールによりパラメータ変更
Cwmin CWmax AIFS TXOP
AC_VO（down）
3
7
2
3264
AC_VO（up）
3
7
7
7
15
15
2
2
2
3264
6016
6016
AC_VI（down）
AC_VI（up）
defaultパラメータ
新パラメータ
Cwmin CWmax AIFS TXOP
AC_VO（down）
AC_VO（up）
AC_VI（down）
AC_VI（up）
3
1
7
3
2
1
3264
3264
1
7
3
15
2
2
6016
12032
＃発表時間の都合上、途中経過は省略
実験５（defaultとの比較）
音声通信（下り）
90
90
80
80
70
60
50
40
down
（default）
down
（新パラメータ）
30
20
10
音声通信（上り）
100
Ｒ値 [AC_VO]
Ｒ値 [AC_VO]
100
クラスＣ基準
70
60
50
40
up
（default）
up
（新パラメータ）
30
20
10
0
クラスC基準
まで向上
0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
0
2
4
6
8
時間（ｓ）
1400
1200
Ｄｅｌａｙ [AC_VI]（ｍｓ）
1600
150ms以下
まで向上
1000
800
映像通信（上り）
300
down
（default）
down
（新パラメータ）
1800
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
時間（ｓ）
映像通信（下り）
2000
Ｄｅｌａｙ [AC_VI]（ｍｓ）
25
600
400
200
0
up
（default）
up
（新パラメータ）
250
200
400ms以下
150
100
50
0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
時間（ｓ）
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
時間（ｓ）
実験５
結果、考察
26
Ｒ値
複数カテゴリの
パラメータ変更
default
新パラメータ
（実験６）
 音声通信
Ｄｅｌａｙ
下りクラスC
400ms以上
上りクラスC以下
150ms以下
下りクラスＣ
150ms以下
上りクラスＣ
400ms以下
 上りトラフィックはクラスＣ基準まで向上
 映像通信
 下りトラフィックの遅延は150ms以下まで向上
 しかし、上りトラフィックの遅延が増加（defaultに比べ）
実験目的（他トラフィックへの影響を最低限に抑え
たQoS保証）を満たさない
実験４（劣化の生じた通信の各種パラメータ変更）
手法の方が有効
結論
27
 提案手法によるQoS保証
 環境の時間的変化に対応したQoSを実現
 上下トラフィック毎の優先制御は有効
 他のトラフィックに影響を与えないQoSを実現
 通信の内容に合ったパラメータの最適化が必要
 時にはパラメータにて優先度を低く設定することが重要
 パラメータ設定により他トラフィックとの競合を避けること
は有効
28
ご清聴ありがとうございました

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