3.1.4.1 WLAN
Trong đường lên, 802.11e/WME thực hiện QoS vì các trạm tranh chấp với nhau để truyền các gói tới AP và các gói thoại có mức ưu tiên cao hơn dữ liệu.
Đầu tiên, thực hiện QoS ở luồng xuống khơng quan trọng vì AP cũng sử dụng 802.11e/WME để ưu tiên lưu lượng của nó qua mơi trường truyền dẫn. Tuy nhiên, có một vấn đề quan trọng là AP cần phân biệt rõ giữa các gói thoại (cả báo hiệu và đa phương tiện) và các gói dữ liệu để ưu tiên một cái hơn cái còn lại. Trong đường lên, các ứng dụng chạy trên trạm chịu trách nhiệm phân loại các gói theo đúng loại. Trong thí dụ của chúng ta, các ứng dụng thoại trên WIPP có thể thơng báo cho bộ phận điều khiển WLAN biết những gói nào thuộc loại nào. Tuy nhiên trong đường xuống, AP điều khiển các gói từ một điểm cuối phía xa. Do vậy, nó cần phân loại các gói dữ liệu đường xuống bởi việc kiểm tra gói. AP như là một cây cầu để bảo đảm sự làm việc giữa 802.3 và 802.11. Do đó, theo mơ hình phân lớp OSI, nó sẽ chỉ truy nhập tới tiêu đề lớp 2. Hay nói cách khác, cái chúng ta cần là một trường tiêu đề trong 802.3 ở lớp 2 cho các gói đến ở luồng xuống hữu tuyến tại AP có thể kiểm tra để phân loại đúng các gói này.
3.1.4.2 LAN hữu tuyến
Chắc chắn rằng hầu hết các kĩ thuật được triển khai để thực hiện QoS trong mạng LAN hữu tuyến là sử dụng 802.11D/Q. 802.11D cho phép các lớp MAC khác nhau trong họ 802.11 có thể làm việc với nhau. 802.11Q VLAN mở rộng định dạng khung 802.3, và nó xác định mức ưu tiên người sử dụng khung. 802.3 MAC khơng hỗ trợ bất kì các kênh khác nhau truy nhập tới các lưu lượng ưu tiên khác nhau, nhưng qua 802.3 VLAN, các khung 802.3 MAC có thể chứa các giá trị ưu tiên tương ứng, các giá trị này được quay vịng và có thể được sử dụng bởi MAC 802.1D.
Nếu AP hỗ trợ cả hai 802.11e và 802.11D/Q, nó có thể được sử dụng để thực hiện QoS trong mơi trường LAN. Tiếp tục thí dụ của chúng ta, khi một AP nhận một gói Ethernet với một tiêu đề 802.11D/Q, có có thể kiểm tra bits ưu tiên trong tiêu đề để quyết định truyền dẫn gói từ hàng đợi thoại của AP được hay không hoặc hàng đợi BE trong mạng vô tuyến.
Tuy nhiên, vẫn còn một vấn đề là việc chèn bits ưu tiên như thế nào. Ở luồng lên, AP có thể nhận ra gói thoại và gói dữ liệu bởi việc kiểm tra trường ưu tiên trong trường điều khiển QoS của tiêu đề 802.11e/WME MAC và có thể sử dụng những thơng tin này để thiết lập các bits ưu tiên trong tiêu đề 802.1D. Tương tự trong luồng xuống, các gói nhận được tại AP hữu tuyến đã có các bits ưu tiên 802.11Q trong 802.1D là phần tiêu đề của 802.3 và AP có thể ánh xạ chúng tới tiêu đề 802.11e.
3.1.4.3 Mạng IP
Khi các gói truyền dẫn từ IPP đã được định trước từ WIPP nằm trong phạm vi AP, khơng có một con đường hoàn hảo cho AP để biết rằng chúng là các gói thoại. IPP thiết lập các bits ưu tiên 802.1Q/D trong tiêu đề MAC khơng là một tùy chọn, vì tiêu đề lớp 2
(MAC) bị thay đổi trên mỗi hop và IPP và WIPP có thể được ngăn cách bởi nhiều hop. Vì AP khơng thể phân biệt giữa các gói thoại va dữ liệu trong luồng xuống hữu tuyến bởi việc xem xét tiêu chuẩn 802.3, nó khơng thể quyết định gói nào cần được truyền từ hàng đợi thoại của AP và gói nào cần được truyền từ hàng đợi thoại dữ liệu (BE). Việc thực hiện QoS trong luồng xuống vô tuyến cần sử dụng kĩ thuật khác. Đây là nơi mà QoS lớp 3 tham gia vì các tiêu đề lớp 3 được duy trì đầu cuối tới đầu cuối.
DiffServ thường triển khai ở QoS lớp 3. Trong phương pháp này, mỗi gói dữ liệu IP mang một mã dịch vụ khác nhau (DSCP) trong các trường dịch vụ khác nhau (DS), nó nằm trong octet TOS (Type Of Service) của IPv4 và octet phân loại lưu lượng IPv6. Vì IP là giao thức lớp 3 (đầu cuối tới đầu cuối), tiêu đề IP ln sẵn có và có thể được sử dụng bởi các router trong mạng IP để cung cấp các dịch vụ khác nhau như QoS.
Bây giờ, xét thí dụ của chúng ta về điện thoại IP khơng dây (WIPP) trong một cuộc thoại với một chiếc điện thoại IP hữu tuyến (IPP). Không cần quan tâm IPP ở trong một mạng IP hay ở trong cùng một mạng LAN với WIPP, nếu chúng quyết định sử dụng DiffServ, giá trị DSXP có thể được sử dụng để phân biệt các gói thoại với các gói dữ liệu tỏng mạng, nó được thực hiện bởi Router hỗ trợ DiffServ trong mạng IP.
Khi một gói DiffServ tới AP, AP có thể xem trong tiêu đề gói IP để lấy DSCP sau đó chuyển gói vào hàng đợi thích hợp. Thực tế, AP sử dụng DSCP để phân biệt các gói thoại và dữ liệu. Nói đúng ra phương pháp này vi phạm kiến trúc phân lớp vì DSCP được chứa trong tiêu đề IP lớp 3, trong khi AP là thiết bị ở lớp 2. Theo quy tắc, trong kiến trúc phân lớp, một thiết bị lớp 2 (AP) không thể biết được tiêu đề lớp 3 (DSCP). Tuy nhiên, để 802.11e hoạt động với DiffServ thì nó cần như vậy.
Việc sử dụng phương pháp này và giả thuyết rằng QoS trong mạng LAN hữu tuyến là khơng cần thiết, trong thí dụ của chúng ta, cả hai WIPP và IPP sẽ thiết lập trường DSCP trong tiêu đề IP. Với các gói thoại đi từ WIPP tới IPP (qua AP), khơng có u cầu gì đặc biệt vì 802.11e cung cấp QoS từ WIPP tới AP và DSCP được chèn vào bởi WIPP có thể được sử dụng để cung cấp QoS trong mạng WAN. Với các gói thoại đi từ IPP tới WIPP (thông qua AP), DSCP được sử dụng để cung cấp QoS trong WAN và AP sử dụng giá trị này để xét ưu tiên, do vậy nó tạo ra QoS trong luồng xuống vô tuyến.
3.1.5 Dung lượng hệ thống
Chúng ta sẽ xem xét làm thế nào 802.11e/WME nâng cao độ ưu tiên của lưu lượng thoại bởi việc sử dụng phân loại lưu lượng và thuật tốn MAC nâng cao. Những đặc tính này giúp giảm trễ cho lưu lượng thoại và do đó nâng cao chất lượng truyền thơng. Một ưu điểm nữa là nó tăng dung lượng hệ thống cho thoại qua WLAN. Như ta đã biết dung lượng của WLAN dành cho các cuộc gọi thoại bị giới hạn vì những nhân tố sau:
• Kích thước gói thoại nhỏ • Chi phí lớp vật lí cao
• Thoại và dữ liệu cạnh tranh công bằng với nhau trong truy nhập kênh truyền • Các trạm và AP cạnh tranh với nhau trong truy nhập kênh truyền.
• Yêu cầu ACK cho mỗi gói.
Bảng 3.1: Các tham số trong lớp PHY 802.11
802.11b 802.11g+b 80.11g-only 802.11a DIFS 50 50 28 34 SIFS 10 10 10 16 Slot Time 20 20 9 9 Cwmin 32 16 16 16 Supported Data Rate (Mbps) 1, 2, 5.5, 11 1, 2, 5.5, 11, 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 24, 36, 48, 546, 9, 12, 18, Basic Rate (Mbps) 2 2 NA NA
PHY for other
frames 192 20 20 20
ACK frames 131 24 24 24
Đầu tiên hãy xem 802.11e/WME khơng giải quyết được những vấn đề gì. Nó khơng giải quyết vấn đề kích thước gói thoại, là bản chất giới hạn của VoIP. Các gói thoại được giữ nhỏ để giảm trễ.
802.11e/WME khơng giải quyết vấn đề chi phí lớp vật lí, cũng là vấn đề lớp PHY. Giải pháp là chọn đúng lớp PHY cho VoWLAN. Bảng 3.1, việc sử dụng 802.11g hoặc 802.11a như là lớp PHY là hợp lí hơn cả cho VoWLAN vì nó giảm đáng kể chi phí lớp PHY. Điều này được xác nhận bởi phân tích như trong bảng 3.2.
Bảng 3.2: Dung lượng VoIP cho 802.11b, 802.11a và 802.11g
DCF tập trung tạo ra số lượng cơ hội truyền dẫn cơng bằng trong các trạm. Nói cách khác, nó đảm bảo rằng khi một trạm có được truy nhập tới kênh truyền và kết thúc truyền dẫn của nó. Nó phải cạnh tranh lại với các trạm khác để truyền dẫn gói tiếp theo. Tuy nhiên, khơng cơng bằng với các gói thoại có kích thước nhỏ hơn vì nó khơng tính đến bao lâu trạm sẽ ở trên kênh truyền khi nó có được truy nhập. 802.11e giải quyết vấn đề này bởi việc cho phép các gói thoại với mức ưu tiên cao hơn các gói dữ liệu. Có nghĩa rằng các
Ngơ Thanh Bình, Lớp D04VT1
MAC VoIP
802.11b 11.2
802.11a 56.4
802.11g-only 60.5
802.11g với bảo vệ CTS-to-seft 18.9
802.11g với bảo vệ RTS-CTS 12.7
trạm thoại sử dụng tải trọng kích thước nhỏ tốn ít thời gian chờ truyền hơn các gói dữ liệu, điều này là cơng bằng vì chúng chiếm kênh ít thời gian khi chúng được truy nhập vào kềnh truyền.
Một khía cạnh khác của sự cơng bằng trong chuẩn 802.11 xuất phát từ thực tế rằng cả AP và trạm đều sử dụng cùng tham số MAC. Điều này có nghĩa là nếu một AP và trạm cạnh tranh để truy nhập tới kênh truyền, cả hai đều có khả năng ngang nhau. Tuy nhiên, trong một hệ thống VoWLAN, do tính hai chiều và khơng đối xứng tự nhiên của thoại, AP điều khiển nhiều lưu lượng hơn bất kì trạm nào và chúng ta có một hệ thống mà node điều khiển nhiều lưu lượng (AP) không được ưu tiên hơn các node khác. Điều này dẫn tới sự tắc nghẽn tại một điểm trong một BSS VoWLAN. EDCF giải quyết vấn đề này bởi việc cho phép AP sử dụng sử dụng các tham số cạnh tranh khác nhau (giới hạn CW, AIFS và PF) từ trạm. Nó làm cho AP có mức ưu tiên cao hơn để truy nhập vào kênh truyền, điều này thích hợp cho truyền thông thoại. Mặt khác, HCF giải quyết vấn đề này bởi việc điều khiển hồn tồn mơi trường truy nhập tới AP trong suốt thời gian không tranh chấp (trong thời gian này truyền thơng thoại được lập lịch). Do đó, AP có thể sử dụng kênh truyền cho luồng dữ liệu nhiều hơn trạm.
Cuối cùng với e, 802.11e cho ACK tùy chọn, do đó nó cho phép số lượng gói qua mơi trường khơng khí giảm xuống một nửa. Tuy nhiên, làm môi trường vô tuyên phức tạp, khơng sử dụng ACK là một giải pháp khơng có tính thực tế. Tuy nhiên, chúng ta có thể sử dụng gói ACK mở rộng, ACK của N gói có thể được gửi cùng nhau. Việc gửi một ACK cho N gói thay vì ACK choi mỗi gói được mong đợi là sẽ làm giảm số lượng gói gửi trong mơi trường do đó làm tăng dung lượng hệ thống. Tuy nhiên, một vài cuộc thí nghiệm đã chỉ ra rằng, WLAN thường hoạt động trong mơi trường khắc nhiệt thì việc sử dụng ACK cho mỗi gói là tốt nhất.
Mặc dù 802.11e/WME giúp nâng cao dung lượng hệ thống về số lượng cuộc gọi đồng thời trong một BSS, một BSS có thể một số lượng cuộc gọi nhất định. Khi số lượng cuộc gọi vượt quá ngưỡng này, BSS được gọi là ở trạng thái tắc nghẽn. Một BSS bị tắc nghẽn dẫn tới giảm chất lượng của tất cả các cuộc gọi đang hoạt động. Rõ ràng đây khơng phải là tình huống mong đợi. Do đó, cần phải có sự điều khiển truy nhập để bảo đảm số cuộc gọi đồng thời được phép. 802.11e cung cấp TSPEC để thực hiện điều khiển truy nhập.
3.1.6 Điều khiển truy nhập
Sự cần thiết điều khiển truy nhập với VoWLAN xuất phát từ thực tế rằng ln có một số lượng cuộc gọi giới hạn mà một BSS có thể hỗ trợ đồng thời. Khi đạt ngưỡng này, sẽ làm giảm chất lượng cuộc gọi đang hoạt động trong BSS. Vì đây là một tình huống khơng mong đợi, nên cần một kĩ thuật để ngăn chặn số cuộc gọi vượt quá ngưỡng này.
802.11e/WME cung cấp kĩ thuật điều khiển truy nhập sử dụng TSPEC (Traffic Specifi Cation). Lý thuyết của phương pháp này là một trạm khơng có quyền sử dụng kênh truyền cho truyền dẫn/nhận dữ liệu vì nó kết nối hoặc liên kết tới AP. Một trạm phải hỏi
(AP) để được đồng ý truy nhập trước khi nó gửi hay nhận dữ liệu. Chính xác kĩ thuật này như sau. Khi một trạm cần bắt đầu truyền/nhận dữ liệu, nó phát ra một yêu cầu TSPEC tới AP. Một yêu cầu TSPEC là một khung quản lí mới đưa ra bởi 802.11e/WME, dùng để xác định chính xác đặc tính của luồng gói mà trạm muốn truyền/nhận bởi việc xác định các thông tin quan trọng sau về luồng gói:
• Kích thước MSDU – Cho thoại, nó dựa trên bộ mã hóa và giải mã sử dụng cho cuộc gọi
• Tốc độ dư liệu – Cho thoại, nó dựa trên kích thước MSDU và chu kì đóng gói sử dụng cho cuộc gọi
• Tốc độ PHY tối thiểu
• Băng thơng dư thừa cho phép • Thời gian trung bình
Với một cuộc gọi thoại, yêu cầu TSPEC sẽ xảy ra trước khi thiết lập cuộc gọi để tránh tình huống người bị gọi người bị gọi nhấc điện thoại và thấy khơng có cuộc gọi nào. Cuộc gọi được ngăn chặn tới đích nếu khơng có đủ băng thơng cho nó.
Tuy nhiên, với VoIP, cuộc gọi không được bắt đầu cho tới tận khi kết thúc thủ tục báo hiệu. Thí dụ, với SIP, phía bị gọi khơng biết được bộ mã hóa và giải mã thích hợp cho tới tận khi 200 bản tin OK được gửi. Một cách giải quyết khác cho trường hợp này là sử dụng TSPEC với các tham số trong trường hợp xấu nhất. Sau khi các tham số cuộc gọi được điều chỉnh và một bộ mã hóa giải mã tốc độ bit thấp hơn được chọn cho cuộc gọi, một trạm VoIP có thể phát lại yêu cầu TSPEC với dung lượng thấp hơn
AP sử dụng các thông tin được cung cấp trong yêu câu TSPEC để xác định nếu phần lưu lượng thêm vào có thể dẫn tới tắc nghẽn hoặc ảnh hưởng tới các phần khác hoặc các cuộc gọi khác. Nếu AP quyết định nó có thể điều khiển lưu lượng này nó sẽ gửi TSPEC tương ứng quay trở lại trạm và chấp nhận yêu cầu của trạm, cho phép trạm bắt đầu cuộc gọi. Mặt khác, nếu AP phát hiện rằng lưu lượng mới hoặc cuộc gọi khơng được cho phép trong BSS, nó sẽ gửi TSPEC tương ứng từ chối yêu cầu TSPEC của trạm.
Chú ý rằng, thuật toán sử dụng để AP quyết định chấp nhận hay không yêu cầu TSPEC không nằm trong chuẩn và mỗi nhà sản xuất được tự do sử dụng nó trong phiên bản của riêng họ. Sự lựa chọn này dựa trên một nhân tố chính bao gồm lí thuyết về số cuộc gọi tối đa có thể, số cuộc gọi đang hoạt động, băng thơng cần thiết để phục vụ cho điều khiển chuyển vùng cuộc gọi, phần dữ liệu trong BSS, nhiễu trong BSS…
3.1.6.1 Phân loại lưu lượng và điều khiển truy nhập
Như chúng ta đã biết 802.11e phân chia lưu lượng thành các loại khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của mỗi lưu lượng. Nó cũng cho phép mỗi trạm duy trì một hàng đợi riêng cho từ loại lưu lượng. Kĩ thuật TSPEC sử dụng cho điều khiển truy nhập cũng hoạt động dựa trên mỗi loại lưu lượng. Hơn nữa, một AP có thể yêu cầu điều khiển truy nhập cho một vài
lưu lượng và không yêu cầu cho các lưu lượng khác. Trong thực tế, các mạng VoWLAN nên cần điều khiển truy nhập cho các lưu lượng thoại (để bảo đảm QoS) nhưng không cần cho các lưu lượng best-effort.
Thông tin về điều khiển truy nhập được chứa trong bản tin dẫn đường và Probe Responses được phát bởi AP. Khi một trạm cần truyền dữ liệu, đầu tiên nó phải xác định lưu lượng nào nó định truyền. Sau đó, tùy thuộc vào AP có yêu cầu điều khiển truy nhập cho lưu lượng này hay khơng, trạm có thể cần gửi u cầu TSPEC và đợi TSPEC phản hồi từ AP. Nếu AP chấp nhận yêu cầu TSPEC, trạm có thể bắt đầu truyền dữ liệu. Tuy nhiên một tình huống rất đáng quan tâm là khi AP từ chối yêu cầu TSPEC.
Vì thuật tốn AP sử dụng để quyết định chấp nhận hay từ chối một yêu cầu TSPEC