IEEE 802.11e [2] cung cấp một cơ chế truy cập kênh truyền mới gọi là chức năng phối hợp lai HCF (Hybrid Coordination Function). HCF có cả phương thức truy cập kênh không tranh chấp và dựa trên tranh chấp. HCF kết hợp DCF và PCF với một số mở rộng, do đó nó có tên là chức năng phối hợp lai. HCF sử dụng phương thức truy cập kênh dựa trên tranh chấp gọi là EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) hoặc còn gọi là DCF nâng cao (EDCF - Enhanced DCF) hoạt động đồng thời với cơ chế truy cập kênh có điều khiển dựa trên kỹ thuật thăm dò HCCA (HCF Controlled Channel Access). EDCF chỉ được sử dụng trong chu kỳ tranh chấp, trong khi HCCA sử dụng trong cả chu kỳ tranh chấp và không tranh chấp.
Hình 1.11: Kiến trúc IEEE 801.11e MAC cho QoS a. XTOP (Transmission Opportunity)
Một đặc điểm mới của IEEE 802.11e đó là sử dụng thuật ngữ cơ hội truyền (TXOP - Transmission Opportunity). TXOP là khoảng thời gian một trạm có quyền truyền, được định nghĩa bởi thời gian bắt đầu và khoảng thời gian tối đa. Do đó, vấn đề không dự đoán được thời gian truyền của các trạm được thăm dò có thể được giải quyết. Nếu việc trao đổi các khung hoàn tất mà trạm vẫn còn thời gian trong TXOP, trạm có thể tiếp tục truyền những khung khác. Nhưng trạm phải đảm bảo rằng việc truyền các khung và nhận các ACK cần thiết là vừa trong khoảng thời gian còn lại đó.
TXOP được cấp phát thông qua tranh chấp (EDCF-TXOP) hoặc qua thăm dò (polled-TXOP). Khoảng thời gian của EDCF-TXOP được giới hạn bởi TXOPlimit ở trong khung Beacon, còn khoảng thời gian của polled-TXOP được định rõ bởi trường Duration bên trong khung thăm dò. Đặc điểm mới này hướng tới việc cung cấp sự công bằng dựa trên thời gian cho các trạm.
b. EDCF (Enhanced DCF)
EDCF là phương thức truy cập dựa trên tranh chấp và là phương thức cơ bản của HCF. Hỗ trợ QoS được thực hiện với việc giới thiệu các loại lưu lượng TC (Traffic Category). EDCF cung cấp 8 mức ưu tiên khác nhau cho các trạm (đánh số từ 0 đến 7). EDCF định nghĩa các loại truy cập AC (Access Category) cung cấp hỗ trợ các mức ưu tiên tại các trạm. Mỗi trạm có thể có 4
AC để hỗ trợ 8 mức ưu tiên. Một hay nhiều mức ưu tiên được gán cho một AC. Hình 1.2 ánh xạ các mức ưu tiên với các AC.
Hình 1.12: Ánh xạ giữa các AC và các mức ưu tiên
Các khung thuộc những loại lưu lượng khác nhau sẽ được ánh xạ vào trong những AC khác nhau phụ thuộc vào những yêu cầu QoS khác nhau của từng loại lưu lượng. Việc gán độ ưu tiên cho từng khung là vấn đề được triển khai ở tầng trên. Bốn AC có tên là AC_BK, AC_BE, AC_VI và AC_VO lần lượt tương ứng với các loại lưu lượng Background, Best Effort, Video và Voice. Trong đó, AC_BK có độ ưu tiên thấp nhất và AC_VO có độ ưu tiên cao nhất.
Một AC với độ ưu tiên cao hơn sẽ được gán một giá trị CW nhỏ hơn. Điều này đảm bảo rằng AC có độ ưu tiên cao hơn sẽ được truyền trước AC có độ ưu tiên thấp hơn. Điều này được thực hiện bằng cách đặt giới hạn cửa sổ tranh chấp CWmin[AC] và CWmax[AC]. CW[AC] được tính toán sao cho nó có giá trị khác nhau với mỗi AC khác nhau.
Bên cạnh đó mỗi AC khác nhau sẽ có các khoảng liên khung IFS khác nhau. Trong EDCF, khoảng liên khung AIFS (Arbitration Interframe Space) được sử dụng thay cho DIFS. AIFS có giá trị tối thiểu bằng DIFS và có thể được mở rộng một cách riêng biệt đối với mỗi AC. Tức là AC có độ ưu tiên cao hơn sẽ có AIFS tương ứng nhỏ hơn. Giá trị AIFS nhỏ đảm bảo AC có độ
ưu tiên cao hơn sẽ có độ trễ ngắn hơn. Mà độ trễ thấp là một trong những yêu cầu quan trọng của các ứng dụng đa phương tiện.
Hình 1.13: Các tham số QoS điển hình c. Thủ tục EDCF Backoff
Tương tự như DCF nếu kênh truyền được xác định là bận, các trạm sẽ phải trì hoãn cho đến khi kênh truyền rỗi. Sau khi trì hoãn, các trạm sẽ chờ một khoảng thời gian AIFS rồi thực hiện thủ tục backoff một cách độc lập. Biến đếm backoff là một số ngẫu nhiên trong khoảng [1, CW[AC]+1] khác với DCF là trong khoảng [0,CW]. Nếu kênh truyền bận trước khi biến đếm bằng 0, thủ tục backoff sẽ dừng lại và chờ cho đến khi kênh truyền rỗi sau một khoảng AIFS để tiếp tục giảm biến đếm backoff. Sau mỗi lần truyền không thành công, giá trị CW mới sẽ được tính lại. Việc tăng CW sẽ giúp làm giảm khả năng xảy ra xung đột tiếp. Khác với trong 802.11 CW luôn luôn được tăng gấp đôi sau khi truyền không thành công, IEEE 802.11e sử dụng giá trị PF (do một bộ quản lý quản lý) để tăng CW khác nhau đối với mỗi loại lưu lượng khác nhau. Chú ý giá trị CW không bao giờ được vượt quá giá trị CWmax[TC]:
newCW[AC] >= ((oldCW[AC] + 1) * PF) – 1
Trong EDCF, mỗi trạm đơn đều duy trì bốn hàng đợi truyền tương ứng với bốn AC. Bốn hàng đợi này có các mức ưu tiên khác nhau và được coi như là bốn trạm ảo hoạt động bên trong một trạm đơn. Bốn hàng đợi này cảm nhận kênh truyền sử dụng cơ chế CSMA/CA và thủ tục backoff một cách riêng biệt. Nếu biến đếm backoff của hai hay nhiều hàng đợi truyền trong một trạm đạt giá trị 0 tại cùng một thời điểm, thì sẽ xảy ra xung đột. Như vậy, tồn tại hai kiểu xung đột: xung đột bên trong giữa các loại lưu lượng trong cùng 1 trạm và xung đột bên ngoài giữa các trạm khác nhau. Sự xung đột bên trong (xung đột ảo) sẽ được giải quyết bởi bộ lập lịch. Bộ lập lịch sẽ cấp TXOP cho AC có độ ưu tiên cao nhất và AC này sẽ được quyền truyền. Còn AC có độ ưu tiên thấp hơn sẽ phải tăng giá trị CW của nó và chọn giá trị backoff mới.
AC[0] AC[1] AC[2] AC[3]
B a c k o ff A IF S [0 ] B C [0 ] B a c k o ff A IF S [0 ] B C [0 ] B a c k o ff A IF S [0 ] B C [0 ] B a c k o ff A IF S [0 ] B C [0 ]
Virtual Collision Handler
Transmission Attempt
Hình 1.15: Các trạm ảo hoạt động bên trong một trạm đơn
Tóm lại, truy cập kênh truyền dựa trên độ ưu tiên của EDCF trong IEEE 802.11e được thực hiện bằng cách gán giá trị AIFS khác nhau và cửa sổ tranh chấp khác nhau cho các AC khác nhau. Cụ thể là CW và AIFS càng nhỏ thì độ
ưu tiên càng cao. Ngoài ra, AC có độ ưu tiên cao sẽ được ưu tiên cấp TXOP để có quyền truy cập kênh truyền.
d. HCCA (HCF Controlled Channel Access)
HCCA sử dụng bộ phối hợp lai HC (Hybrid Coordinator), HC hoạt động theo quy tắc khác với bộ phối hợp điểm PC của PCF. HC có độ ưu tiên truy cập kênh cao hơn so với các trạm khác, do HC chỉ phải chờ một khoảng thời gian PIFS ngắn hơn so với các trạm sử dụng DCF hay EDCF. Điều này cho phép HC có thể cấp phát TXOP cho các trạm và truyền dữ liệu đến các trạm.
HCCA giải quyết được những nhược điểm của PCF:
Các loại lưu lượng khác nhau được định nghĩa trong HCCA. Các nhà sản xuất có thể thiết kế các thuật toán lập lịch để hỗ trợ các kiểu ứng dụng khác nhau. Thêm vào đó, các thuật toán lập lịch được triển khai độc lập trong HCCA và có thể được mở rộng bởi nhà sản xuất mà không cần phải lo lắng về các vấn đề phức tạp.
Các trạm trong IEEE 802.11e không được phép truyền gói nếu việc truyền khung không thể kết thúc trước khi đến beacon tiếp theo. Điều này giải quyết được vấn đề trễ beacon của PCF.
TXOPlimit được sử dụng để giới hạn thời gian truyền của trạm được thăm dò. Nhờ đó giải quyết được vấn đề AP không dự đoán được thời gian truyền của các trạm trong PCF.
Hình 1.16: Khoảng thời gian beacon dùng trong thuật toán lập lịch HCF
Hình 1.16 cho thấy ví dụ về khoảng thời gian beacon IEEE 802.11e. Trong khoảng thời gian beacon, AP được cho phép để bắt đầu chu kỳ truy cập có điều khiển CAP (Controlled Access Period) sử dụng HCCA sau khi phát hiện kênh truyền là rỗi sau một khoảng PIFS. HCCA mềm dẻo hơn PCF, bởi vì PCF chỉ được dùng trong chu kỳ không tranh chấp, trong khi AP có thể khởi tạo HCCA bất cứ khi nào nó muốn trong khoảng beacon. Để đủ không gian cho EDCF, khoảng thời gian tối đa của HCCA trong khoảng beacon được giới hạn bởi biến TCAPLimit.
Như đã nói ở trên, thuật toán lập lịch được đề xuất trong IEEE 802.11e: trước khi truyền dữ liệu, dòng lưu lượng (TS-Traffic Stream) được thiết lập và mỗi trạm không được phép có nhiều hơn 8 dòng lưu lượng với độ ưu tiên khác nhau. Chú ý rằng dòng lưu lượng TS trong HCCA và loại truy cập AC trong EDCF có thể sử dụng những hàng đợi khác nhau. Để bắt đầu, các trạm gửi khung yêu cầu QoS chứa đặc tả lưu lượng (TSPEC) đến AP. Đặc tả lưu lượng TSPEC mô tả những yêu cầu QoS của TS, như là: tốc độ dữ liệu cao nhất, kích thước khung lớn nhất, giới hạn độ trễ và khoảng thời gian yêu cầu dịch vụ tối đa (RSI). AP có thể chấp nhận hoặc loại bỏ yêu cầu TSPEC mới dựa trên điều kiện của mạng. Sau khi nhận tất cả các yêu cầu QoS, đầu tiên bộ lập lịch AP sẽ xác định khoảng thời gian dịch vụ được lựa chọn (SI), giá trị này không được lớn hơn RSI tối đa được yêu cầu bởi những TS khác nhau từ những trạm khác nhau. Sau đó khoảng beacon được chia ra làm nhiều khoảng SI và các trạm được thăm dò lần lượt trong mỗi SI (như trong hình 2.6). Cuối cùng, bộ lập lịch ở AP sẽ tính toán các giá trị HCCA-TXOP tương ứng cho các trạm khác nhau bằng cách sử dụng những yêu cầu QoS của chúng trong TSPEC và cấp cho các trạm.
Thuật toán điều khiển admission HCCA cũng được đề xuất trong IEEE 802.11e [2]. Sử dụng thông tin TSPEC, AP tính tỷ lệ thời gian truyền đặt trước cho HCCA của tất cả các trạm đang tồn tại trong SI theo công thức:
1 (1.1) k i i TXOP SI
Để quyết định chấp nhận hay không yêu cầu từ dòng lưu lượng mới trong HCCA, bộ lập lịch AP chỉ cần kiểm tra nếu TXOPK+1 cộng với tất cả TXOP hiện tại nhỏ hơn hoặc bằng thời gian lớn nhất có thể sử dụng bởi HCCA:
1 1 (1.2) k i CAPLimit K i Beacon TXOP T XTOP SI SI T
Trong đó: TCAPLimit là giới hạn khoảng thời gian tối đa của HCCA và
TBeacon thể hiện độ dài của khoảng beacon.