III.1.3. Các tham số EDCA
Chức năng EDCAF tranh chấp truy cập môi trường truyền sử dụng 3 tham số sau: AIFS (Arbitration Inter-Frame Space) – Khoảng thời gian lắng nghe môi trường
truyền rỗi trước khi truyền gói tin tiếp theo hoặc khởi động thuật toán quay lui. CWmin, CWmax – Độ lớn của cận dưới và cận trên của cửa sổ tranh chấp
(Contention Window) sử dụng cho thuật toán quay lui.
TXOPLimit - Giới hạn của TXOP, là khoảng thời gian truyền tối đa sau khi giành được quyền truyền thông.
Những tham số EDCA này là khác nhau đối với từng loại AC. Các AC có độ ưu tiên hơn cao sẽ chờ khoảng thời gian AIFS ngắn hơn và các AC có độ ưu tiên thấp phải chờ khoảng thời gian AIFS dài hơn trước khi được phép truy cập môi trường truyền. Độ lớn cửa sổ tranh chấp khác nhau với từng loại AC. Những AC có độ ưu tiên cao hơn sẽ chọn giá trị backoff từ cửa sổ tranh chấp nhỏ hơn so với những AC có độ ưu tiên thấp. Cũng tương tự, đối với TXOPLimit, những AC có ưu tiên cao hơn sẽ được phép truy cập môi trường truyền khoảng thời gian dài hơn. Nói chung, AC có ưu tiên cao hơn sẽ có AIFS, CWmin và CWmax nhỏ hơn và TXOPLinit lớn hơn so với những AC có ưu tiên thấp hơn. Những tham số này đặc trưng cho độ ưu tiên của AC, do vậy, chúng hay được viết tắt là AIFS[AC], CWmin[AC], CWmax[AC] và TXOPLimit[AC]. Một điểm khác biệt giữa DCF và EDCAF là EDCAF sử dụng những tham số AC đặc trưng AIFS[AC], CWmin[AC] và CWmax[AC] một cách động, thay cho những tham số cố định DIFS, CWmin, và CWmax. QAP có thể điều chỉnh động những tham số này phụ thuộc vào trạng thái của mạng và thông báo một cách định kỳ cho các QSTA liên kết đến nó. Nếu QAP không thông báo những thông số này, các QSTA sẽ sử dụng những tham số EDCA mặc định được quy định trong chuẩn như trong bảng 3.2 dưới đây.
AC CWmin CWmax AIFSN TXOP Limit
FHSS DSSS
AC_BK CWmin CWmax 7 0 0
AC_BK CWmin CWmax 3 0 0
AC_VI (CWmin+1)/2 -1 CWmin 2 6.016ms 3.008ms
AC_VO (CWmin+1)/2 -1 (CWmin+1)/2 -1 2 3.264ms 1.504ms
Giá trị của tham số AIFS không cố định như DIFS trong DCF mà có thể thay đổi, phụ thuộc vào AC mà chức năng EDCAF sử dụng để tranh chấp truy nhập môi trường truyền. AIFS được tính theo công thức:
AIFS = AIFSN x SlotTime + SIFSTime
(Trong đó, SlotTime là khe thời gian; SIFSTime là khoảng thời gian SIFS và AIFSN được sử dụng để xác định khoảng thời gian AIFS)
Trong công thức tính AIFS, AIFSN quyết định số khoảng thời gian slot cộng thêm vào khoảng thời gian SIFS. Những giá trị AIFSN khác nhau sử dụng cho những AC khác nhau, do đó AC có độ ưu tiên cao hơn sẽ sử dụng giá trị AIFSN nhỏ hơn. Giá trị nhỏ nhất của AIFSN được quy định trong chuẩn là 2. Khi AIFSN bằng 2, giá trị của AIFS bằng với DIFS (bằng 2 x SlotTime + SIFSTime). Hay nói cách khác, giá trị nhỏ nhất của AIFS chính bằng DIFS. Đối với QAP hoạt động sử dụng chức năng HCCA, giá trị nhỏ nhất của AIFSN có thể bằng 1, trong trường hợp này, AIFS bằng PIFS (bằng SlotTime + SIFSTime). Giá trị mặc định của AIFSN cho từng loại AC được mô tả như trong bảng 3.2. Hình 3.2 giải thích cơ chế xác định ưu tiên cho những AC khác nhau dựa trên khoảng thời gian AIFS [11].
Hình 3.2: Định độ ƣu tiên dựa trên AIFS
Giá trị AIFSN nhỏ hơn cho AC có mức ưu tiên cao hơn tương ứng với chức năng EDCAF sẽ chờ một khoảng thời gian nhỏ hơn trước khi có thể truy cập môi trường truyền hoặc khởi động quá trình đếm ngược đồng hồ back-off so với chức năng EDCAF của AC có mức ưu tiên thấp hơn. Do vậy, AC có mức ưu tiên cao hơn được đảm bảo có thể sử dụng băng thông cao hơn AC có mức ưu tiên thấp hơn. Hơn nữa, giá trị AIFS nhỏ hơn đảm bảo một AC với mức cao hơn sẽ không có độ trễ lớn hơn …,
do đó, có thể đảm bảo giá trị tới hạn của độ trễ cho những ứng dụng hay luồng dữ liệu yêu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ này. Những AC có mức ưu tiên thấp hơn có thể phải chịu một độ trễ lớn hơn chính do khoảng thời gian AIFS dài hơn mà chúng phải chờ. Những AC này được thiết kế cho những ứng dụng truyền luồng dữ liệu chấp nhận độ trễ lớn (hay ảnh hưởng của độ trễ đến hoạt động của chúng là ít) sử dụng.
CWmin và CWmax - giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của kích cỡ cửa sổ tranh chấp trong EDCAF. Không cố định như các tham số được ký hiệu tương tự trong DCF, chúng có thể thay đổi theo từng loại AC. Những AC với mức ưu tiên cao hơn sẽ có giá trị CWmin và CWmax nhỏ hơn so với những AC ở mức ưu tiên thấp hơn như mô tả trong bảng 3.2. Đối với các tầng vật lý sử dụng các phương pháp trải phổ khác nhau, tham số cửa sổ tranh chấp cũng khác nhau như mô tả trong bảng 3.3.
FHSS DSSS
CWmin 15 31
CWmax 1023 1023
Bảng 3.3: Tham số cửa sổ tranh chấp sử dụng với các tầng vật lý khác nhau.
Một AC với mức ưu tiên cao hơn, chức năng EDCAF có giá trị cửa sổ tranh chấp nhỏ hơn, nó sẽ chọn được một số ngẫu nhiên là giá trị quay lui (back-off) nhỏ hơn. Khi chọn được giá trị quay lui nhỏ hơn, sẽ khoảng thời gian nghe kênh truyền rỗi ngắn hơn (Khoảng thời gian nghe kênh truyền rỗi được tính bằng AIFS cộng với tích giá trị quay lui nhân với khe thời gian. Trong khi đó, AIFS của AC có mức ưu tiên cao hơn sẽ nhỏ hơn, giá trị quay lui nhỏ hơn nên khoảng thời gian nghe kênh truyền rỗi của AC có ưu tiên cao hơn sẽ nhỏ hơn khoảng thời gian này của một AC có ưu tiên thấp hơn). Do đó, một AC có mức ưu tiên cao hơn sẽ phải chịu độ trễ sẽ nhỏ hơn. Trong trường hợp AC với mức ưu tiên thấp, chúng sẽ có một cửa sổ tranh chấp lớn hơn, do vậy sẽ chọn giá trị quay lui lớn hơn và có độ trễ là cao hơn. Như trong bảng 3.2, với tầng vật lý DSSS, giá trị CWmin cho những mức AC thấp như AC_BE và AC_BK được lấy như giá trị trong DCF, nhưng giá trị này đối với những AC có mức ưu tiên cao hơn, AC_VO và AC_VI chỉ nhỏ bằng một nửa giá trị CWmin của AC có mức ưu tiên thấp hơn. Do đó, giá trị quay lui (backoff) cho những AC có mức ưu tiên cao hơn sẽ có độ trễ truy cập môi trường truyền bé hơn. Tuy vậy, do kích thước cửa sổ tranh chấp là bé hơn, những AC có độ ưu tiên cao sẽ có xác suất gặp đụng độ cao hơn (xác xuất các chức năng điều khiển truy cập kênh truyền chọn cùng một giá trị quay lui). Bằng việc chọn giá trị
CWmax cho AC ở mức ưu tiên cao nhỏ hơn hoặc bằng giá trị CWmin của AC mức ưu tiên thấp, có thể giảm được xác suất các chức năng điều khiển truy cập chọn cùng giá trị quay lui. Điều này cho thấy, sau khi tăng lên gấp đôi, kích cỡ cửa sổ tranh chấp trong trường hợp truyền không thành công của AC có độ ưu tiên cao hơn vẫn giữ nhỏ hơn giá trị CWmin của AC có độ ưu tiên thấp hơn. Hơn nữa, mỗi lần xảy ra xung đột hoặc thử truyền không thành công, cả AC có mức ưu tiên thấp và AC mức ưu tiên cao đều phải tăng cửa sổ tranh chấp lên gấp đôi, tuy nhiên, AC với mức ưu tiên cao hơn sẽ đạt đến CWmax nhanh hơn (đạt đến CWmax với số lần truyền không thành công ít hơn và cửa sổ tranh chấp sau đó là không đổi), do đó, nó có thể chọn một giá trị quay lui nhỏ hơn và tranh chấp truy cập môi trường truyền thành công. Trong trường hợp này, những AC có độ ưu tiên cao sẽ được chia sẻ phần băng thông lớn hơn khi mạng trở nên tắc nghẽn. Nói một cách khác, việc này có thể làm giảm sút hiệu quả hoạt động của những AC có độ ưu tiên thấp. Như trên bảng 3.2, giá trị mặc định của CWmin, CWmax được gán như nhau trong AC_BE và AC_BK, tuy nhiên, do AC_BE có AIFSN nhỏ hơn AC_BK nên AC_BE có mức ưu tiên cao hơn AC_BK, cụ thể AC_BK phải chờ thêm một khoảng thời gian tính bằng 4 khe thời gian để bắt đầu truyền hoặc khởi động thuật toán quay lui so với AC_BE (do AIFSN[AC_BE] = 3, và AIFSN[AC_BK] = 7). Điều đó cũng có nghĩa là AC_BK có độ trễ truy nhập môi trường truyền cao hơn so với những AC khác.
Như được giới thiệu ở trên, cơ hội truyền TXOP là khoảng thời gian truyền thông khi một EDCAF đã tranh chấp được quyền truy cập môi trường truyền. TXOP được đặc trưng bởi khoảng thời gian tối đa là giới hạn TXOPLimit. Khoảng thời gian truyền thông bao gồm toàn bộ quá trình trao đổi frame, như các khoảng thời gian chờ SIFS, thời gian truyền ACK, dữ liệu và RTS/CTS nếu sử dụng cơ chế RTS/CTS. Khi đó, rất có thể một EDCAF giành được quyền truy cập môi trường truyền, sử dụng khoảng thời gian truyền thông không quá TXOPLimit. Bảng 3.2 mô tả giá trị TXOPLimit đối với từng loại AC. Khi giá trị giới hạn TXOPLimit được gán bằng giá trị khác 0, điều đó có nghĩa là chức năng EDCAF có thể truyền nhiều frame với cùng mức AC trong một khoảng thời gian không vượt quá TXOPLimit. Cơ chế này được gọi là Contention Free Bursting (CFB). Các frame trong một TXOP sẽ được truyền liên tiếp cách nhau một khoảng thời gian SIFS thay vì khoảng thời gian AIFS cộng thêm những khoảng thời gian đếm ngược trong quá trình quay lui, như mô tả trong hình 3.3. Chú ý quan trọng là việc truyền nhiều frame như nói ở trên được quản lý bởi chức năng EDCAF (hoặc AC) chứ không phải bởi thực thể IEEE 802.11e, do vậy chỉ những frame trong cùng AC mới được truyền thông khoảng TXOPLimit này.
Hình 3.3: Contention Free Bursting (CFB)
Nếu cơ chế RTS/CTS được dùng cùng với CFB, khi đó, giai đoạn bắt tay RTS/CTS chỉ cần thực hiện đúng 1 lần trước khi truyền gói tin đầu tiên, thay vì giai đoạn này sẽ phải thực hiện trước khi truyền frame như trong chức năng DCF. Khi TXOPLimit bằng 0, có nghĩa là cơ chế CFB không được sử dụng, chỉ một frame (cộng với các frame RTS/CTS nếu sử dụng cơ chế RTS/CTS, ACK) có thể được truyền trong một TXOP. Trong trường hợp nếu thời gian truyền frame trong môi trường có thể vượt quá giới hạn TXOP, frame đó có thể bị phân mảnh.
Bảng 3.2 cho thấy giá trị mặc định của giới hạn TXOP cho những AC có độ ưu tiên thấp AC_BK và AC_BE bằng 0, có nghĩa là CFB không sử dụng cho những AC này. Với những AC có độ ưu tiên cao hơn, CFB cho phép thực thể IEEE 802.11e chiếm dụng môi trường truyền trong những khoảng thời gian xác định, do đó, có thể góp phần làm giảm đáng kể độ trễ. Tuy nhiên, nếu TXOPLimit được đặt với giá trị lớn quá cho những AC có độ ưu tiên cao sẽ làm độ trễ của những AC có độ ưu tiên thấp tăng lên. Bởi vậy, dịch vụ phân biệt được mô tả qua TXOPLimit cho phép AC có độ ưu tiên cao hơn có thể chiếm dụng môi trường truyền với khoảng thời gian nhiều hơn so với những AC có quyền ưu tiên thấp hơn. Trong trường hợp sử dụng CFB, cơ chế cảm nhận sóng mang ảo sẽ được sử dụng bằng cách đọc trường Duration trong header của frame đã được gán thời gian truyền TXOP, do vậy, tất cả các trạm nhận được frame đó sẽ gán giá trị NAV của nó bằng toàn bộ TXOP thay vì thời gian truyền từng frame (thay vì thời gian truyền frame đầu tiên cộng với khoảng thời gian SIFS và ACK).
III.2. Kiến trúc và định dạng những gói tin quan trọng
Cùng với chức năng cộng tác truy cập lai HCF (bao gồm EDCA và HCCA), chuẩn IEEE 802.11e đồng thời cũng hỗ trợ hai chức năng cộng tác truy cập nguyên thủy có
trong IEEE 802.11 là DCF và PCF, cung cấp khả năng tương thích ngược (backward compatibility), cho phép các thực thể chuẩn IEEE 802.11e có thể hoạt động trong mạng chuẩn IEEE 802.11. Để có khả năng tương thích ngược, một QSTA có thể hoạt động theo kiểu non-QoS BSS (nQBSS) bằng cách tự kết nối với một non-QoS AP (nQAP), trong trường hợp không tìm thấy QAP. Một mặt khác, non-QoS STA (nQSTA) cũng có thể kết nối với một QAP trong QBSS giống như hoạt động của nó trong chuẩn IEEE 802.11. Trong trường hợp này, thực thể chuẩn IEEE 802.11e sử dụng những định dạng frame như trong chuẩn IEEE 802.11, không sử dụng những frame đặc biệt cung cấp chất lượng dịch vụ.
Hình 3.4: Kiến trúc tầng MAC IEEE 802.11e
Chức năng điều khiển trung tâm trong HCF là HCCA áp dụng cơ chế truy nhập môi trường truyền không tranh chấp (contention–free), sử dụng thành phần cộng tác trung tâm được gọi HC (Hybrid Controller) được cài đặt trong QAP. HC hoạt động song song với EDCA giống như trong chuẩn IEEE 802.11, bao gồm một giai đoạn không tranh chấp CFP (Contention Free Period) theo sau bởi một giai đoạn tranh chấp CP (Contention Period), trong đó EDCA hoạt động trong giai đoạn không tranh chấp trong khi HC hoạt động trong cả hai giai đoạn trên. Điều này hơi trái ngược so với nguyên bản 802.11 do thành phần cộng tác điểm PC (Point Coordinator) chỉ hoạt động trong giai đoạn không tranh chấp. Có nghĩa là HC có khả năng sử dụng cơ chế hỏi vòng QSTA trong cả giai đoạn tranh chấp và không tranh chấp. Điều đó giải thích thành phần này được gọi là điều khiển lai (Hybrid Controller).
Trường con QoS trong trường Frame Control của MAC header chỉ ra trạm truyền thông đóng vai trò của QSTA hoặc nQSTA. Nếu trường này có giá trị là 1, trạm đó là QSTA. Một trạm là nQSTA nếu trường con QoS có giá trị bằng 0. Hình 3.5 mô tả trường con QoS trong MAC header.
Hình 3.5: Data frame tại tầng MAC và trƣờng QoS.
Trong tầng MAC, tất cả các frame đều được thiết lập một mức ưu tiên dựa vào giá trị trường định danh luồng dữ liệu TID (Traffic Identifier). Mức độ ưu tiên người dùng UP (User Priority) của frame được xác định dựa trên giá trị TID. Do đó, khi QAP nhận được một frame từ một QSTA, nó đọc giá trị UP từ trường TID. Hình 3.6 minh họa trường điều khiển QoS và TID trong hearder tầng MAC.
Giá trị ưu tiên trong trường TID được hỗ trợ chỉ khi nếu gói tin của một trạm phát đi có trường con QoS trong trường điều khiển frame (Frame Control) được thiết lập giá trị là 1. Trong trường hợp đó, trạm liên kết được với QAP và đóng vai trò như một QSTA. Nếu không có QAP và QSTA liên kết với một AP thông thường, khi đó QSTA có chức năng giống như một STA, và trường con QoS được gán giá trị là 0. Trong trường hợp này, giá trị TID sẽ không còn ý nghĩa và mọi frame truyền đi từ STA sẽ được xử lý như những frame có không có mức ưu tiên nào như trong hoạt động của chức năng DCF. Nói chung, nếu những trạm thông thường bao gồm STA và nQSTA, khi liên kết với một QAP, những frame phát đi từ những trạm này sẽ được đối xử như những frame có mức ưu tiên 0.
Hình 3.6: Trƣờng TID trong định nghĩa trong trƣờng thông tin QoS.
Giá trị kích thước hàng đợi (Queue size) trong trường điều khiển QoS của frame header, như mô tả trong hình 3.6 cho chúng ta biết tổng số frame của mức ưu tiên hiện tại có trong hàng đợi truyền AC của trạm, không bao gồm frame hiện tại. TXOP được sử dụng cả trong EDCA và HCCA, lần lượt được gọi là EDCA TXOP và HCCA TXOP (hay còn gọi là Polled TXOP). Một EDCA TXOP giành được khi một trạm QSTA thắng trong quá trình tranh chấp để truy cập môi trường khi trạm đó thực thi chức năng EDCA, trong khi một HCCA TXOP được cấp bởi HC khi trạm tham gia chức năng HCCA. HC điều phối từng trạm để cấp cho các HCCA TXOP dựa trên yêu cầu của các trạm.
Một QSTA có thể định rõ mục đích truyền nhiều frames trong một TXOP bằng việc đặt giá trị cho trường Duration/ID trong header của frame, do vậy, trạm có thể bao