QoS-enabled MAC Schemes for Wireless Networks

Transkript

1 QoS-enabled MAC Schemes for Seminar Mobile Systems WS 06/07 Mattias Aggeler, Martin Hochstrasser, Seung Hee Ma

2 Inhalt QoS Anforderungen aus Sicht des Medienzugriffs ATM GPRS Überblick / Fazit 1

3 QoS Anforderungen Typische QoS Anforderungen von Multimedia Anwendungen: Minimale / konstante Übertragungsrate Begrenzte Latenz Minimaler / begrenzter Jitter Geringe Fehlerrate Xinping Guo and Colin Pattinson, Quality of Service Requirements for Multimeida Communications 2

4 QoS Anforderungen aus Sicht des Medienzugriffs Anwendungen (Bsp.): Videostreaming Voice over IP Typische QoS Anforderungen MAC Schicht 3

5 Anforderungen an die MAC-Schicht Zeitgarantien für den Medienzugriff Vermeidung von Kollisionen 4

6 WLAN W-LAN / e MAC Distibuted coordination function (DCF) Point coordination function (PCF) e MAC Hybrid coordination function (HCF) Enhanced DCF (EDCF) HCF controlled channel access (HCCA) 5

7 WLAN PCF (1/3) Ein Polling Verfahren Abwechslungsweise mit DCF verwendet Keinen Wettbewerb Zentrale Kontrolle des Medienzugriffs durch den AP 6

8 WLAN PCF (2/3) End-Frame Beacon-Frame Polling-Frames Wettbewerbsphase (DCF) wettbewerbsfreie Phase (PCF) Wettbewerbsphase (DCF) 7

9 WLAN PCF (3/3) Keine Kollisionen während PCF Aber: Keine Zeitgarantien für Polling Anfang des PCF-Fensters verzögert Sendedauer der gepollten Stationen nicht vorhersehbar Alle Stationen gepollt Es kann keine QoS angeboten werden 8

10 WLAN e Übersicht Hybrid Coordination Function (HCF) Enhanced DCF (EDCF) HCF Controlled Channel Access (HCCA) 9

11 WLAN Deyun Gao, et al. Admission control in IEEE e wireless LANs. IEEE Network 19(4): 6-13,

12 WLAN e HCCA (1/3) Basiert auf Polling In Kombination mit EDCF angewendet AP kontrolliert Medienzugriff Keine Kollisionen, da kein Wettbewerb 11

13 WLAN e HCCA (2/3) TXOP begrenzen Sendedauer der Stationen Polling nach Zeitplan, individuell angepasst Anforderung des Pollings beim AP durch TSPEC-Frame Polling frequenz TXOP-Dauer 12

14 WLAN e HCCA (3/3) Keine Kollisionen Probleme aus PCF gelöst: Anfang des HCCA Fensters nicht mehr verzögert Sendedauer der Stationen limitiert Individuelles Pollen durch TSPEC-Frame angefordert Zeitgarantien möglich! Erlaubt QoS nach verhandelbaren Parametern anzubieten und zu garantieren 13

15 ATM ATM Service Typen in ATM Service Constante Bit Rate (CBR) Real-Time Variable Bit Rate ( rt- VBR) Non-Real-Time Variable Bit Rate (nrt-vbr) Available Bit Rate (ABR) Unsepcified Bit Rate (UBR) Anwendungsfelder Digital Voice und Video Komprimiertes Voice und Video Bursty Traffic, keine Verzögerungsgarantien Nur eine minimale Bandbreite wird garantiert, ohne andere Zusagen Best effort Service, keine Garantien Hac und Ling Chew, ARCMA 14

16 ATM Schwierigkeiten von Wireless ATM ATM - grosse Bandbreite Wireless - geringe Bandbreite ATM - sehr niedrige BER Wireless- Qualität variiert (Hintergrundrauschen) 15

17 ATM Traditionelle Verfahren - DAMA Radio Channel Classification Time Slot k + 1 Time Slot k Time Slot k - 1 Downlink Uplink ACK DD RA TA PAYLOAD PAYLOAD PACKET HEADER CRC BITS Hac und Ling Chew, ARCMA 16

18 ATM Variationen des DAMAs RAMA: Resource Auction Multiple Access Für schnelle Zuteilung von Resourcen und als Handoff- Mechanismus PRMA: Packet Reservation Multiple Access Effizienz der Bandbreite beim TDMA verbessern Erfolgreiche Übermittelung -> Zukünftige Slots reservieren DQRUMA: Distributed Quering Request Multiple Access Effiziente Auslastung der Bandbreite Unterstützung der QoS-Parameter Dynamische Uplink Slots 17

19 ATM Neue Verfahren: ARCMA Adaptive Request Channel Multiple Access DAMA mit dynamischer Bandbreiten-Zuweisung RA-Kanal: Slotted Aloha mit BEB (Binary Exponential Backoff) Reduktion von Kollisionen Unterstützung der ATM Service-Klassen 18

20 ATM Timing Diagram ARCMA Hac und Ling Chew, ARCMA 19

21 ATM ARCMA 1/2 Beschreibung Request / Acknowledgement Phase Permission / Transmission Phase Adaptive Request Channel Strategy Performance Adaptiver RA-Kanal CBR Behandlung Slotted Aloha mit BEB 20

22 ATM ARCMA 2/2 Merkmale Effiziente Nutzung des Kanals Übertragung erfolgt slot by slot Transparenz gegenüber dem AAL Kleine RA Pakete Die Reihenfolgen der Pakete bleibt Mehrere Uplink und Downlink Kanäle simultan 21

23 ATM Vergleich ARCMA mit DQRUMA Effektive Ausnutzung des Kanals ARCMA: Viel effektiver bei den verschiedenen Traffic Bedingungen Priorität der Anfrage-Liste ARCMA: Priorisierung der Transmission Scheduling Policy Adaptiver RA-Kanal ARCMA: höhere Durchsatz und niedrigere durchschnittliche Verzögerung 22

24 ATM Beurteilung und Zusammenfassung Ein neues Protokoll wegen: Beschränktes Medium (wireless network) Realtime- und Verzögerungsempfindlicher Traffic Anforderungen im MAC-Sublayer Als Ziel von ARCMA gesetzt ARCMA unterstützt verschiedene ATM Service- Typen 23

25 GPRS GPRS Herkömmlicher Ansatz PRMA Neuer Ansatz GQ-MAC (Guaranteed QoS Media Access Control) AP-CAC (Adaptive Priorised Handoff CAC) Guard Channel Scheme MLST (Mobile Label Switched Tree) 24

26 GPRS PRMA QoS Klassen in GPRS Precedence, delay, reliability, throughput Verschiedene Varianten DAMA: Centralized/Integrated PRMA Keine harte Delay-Garantie möglich (variable access delay) 25

27 GPRS GQ-MAC Mehrere Klassen von Traffic: Streaming (Video, Music) Garantierte Bandbreite und verbindlicher jitter Conversational (Voice) Verbindliche Zugriffsverzögerung bei Kanalzugriff Interactive (Telnet, Messengersysteme) Garantierter durchschnittlicher Durchsatz Background (FTP, ). best-effort 26

28 GPRS GQ-MAC Implementation 1/2 Uplink Kanäle Signalisierungskanal S-PRACH (Random Access) Datenkanal U-PRACH (Payload) New and Handoff calls (Slotted Aloha) 27

29 GPRS GQ-MAC Implementation 2/2 Downlink Kanäle Control Channel PAGCH (Feedback) Traffic Channels PDTCH (Payload) 28

30 GPRS AP-CAC Leistungsangebot Unterstützt differenziertes Handoff verschiedener Traffic Klassen Zugriffsverweigerung kann abhängig von der Priorität der Traffic Klasse vergeben werden Guard channel Verfahren für Reservationen Adaptiv und Priorisiert? Adaptiv: Über- und Unterprovisionierung unmöglich Priorisiert: Handoff Anfragen werden nach dem angeforderten Service Typ unterschieden 29

31 GPRS AP-CAC Implementation 0 H2 H1, H2 H1, H2, new N T Anzahl freier Kanäle N G2 N G1 H2-Handoff s Streaming Klasse (höchste Priorität) H1-Handoff s Conversational, Interactive, Background Klassen. New calls (unterste Prioritäts Stufe). 30

32 GPRS Beurteilung und Zusammenfassung GQ-MAC Verschiedene Traffic Klassen AP-CAC differenziertes Handoff Zugriffsverweigerung abhängig von der Priorität Ende zu Ende QoS 31

33 Überblick / Fazit QoS Support mit verschiedenen Ansätzen Priorisierung, Reservation, Reduktion von Kollisionen, Begrenzung des Zugriffs Auswirkungen Erhöhte Ausnutzung des Mediums Verbesserte Unterstützung versch. Klassen Garantierte Bandbreite, Latenz, Jitter 32

34 Fragen? 33

35 Diskussion Lohnt sich der grosse Aufwand für QoS? 34

36 Diskussion Bei welchen anderen drahtlosen Übertragungstechnologien wäre QoS auch wünschenswert? 35

37 Diskussion Wärst du bereit für Premium QoS Dienste zu bezahlen? Wieviel würdest du für ein funktionierendes QoS in deinem Router zu Hause bezahlen? 36