IEEE 802.11e EDCA 네트워크 혼잡 환경에서 RTS/CTS 프레임을 이용한 동일 우선순위 충돌 회피 알고리즘

권영호(YongHo Kwon),이병호(Byung Ho Rhee) 한국통신학회 2014 韓國通信學會論文誌 Vol.39 No.5(융합기술)

IEEE 802.11e EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)는 서로 다른 AC(Access Category)에 따라서 CW(Contention Window)를 이용하여 Quality-of-Service(QoS)를 지원한다. 그러나 무선 네트워크 환경이 혼잡(Congested)할 경우 패킷의 충돌 발생 확률을 높일 수 있다는 문제점이 여전히 존재한다. 이를 해결하기 위해 여러 방법들이 제시되었으나 혼잡 네트워크상에서는 동일 우선순위를 가지는 패킷 전송을 위해서 전송 채널을 이용하는 경쟁 과정에서 패킷 충돌(Collision)이 발생할 확률이 여전히 존재한다. 따라서 본 논문에서는 EDCA 포화 상태에서 전송 효율을 높이는 APCA(Advanced Priority Collision Avoidance) 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 IEEE 802.11e 표준을 기반으로 RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send)를 이용하여 패킷 전송 FC(Frame Control) 필드의 예약된 필드(Reserved Field) 비트를 이용하여 데이터 패킷 충돌을 회피하는 것이다. 시뮬레이션의 결과로 제안된 알고리즘이 기존의 EDCA에 비해 패킷 전송 실패율이 감소했음을 보였다. Jain’s fairness index를 이용하여 제안된 APCA 알고리즘이 네트워크 혼잡 상황에서 EDCA 방식 보다 공정성을 유지하는 것을 확인하였다. The Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) function of IEEE 802.11e standard defines contention window (CW) for different Access Category (AC) limits to support Quality-of-Service (QoS). However, it have been remained the problem that the collision probability of transmission is increasing in congested network. Several different solutions have been proposed but the collision occurs among same priority queue within the same station to compete the channel access. This paper presents an APCA (Advanced Priority Collision Avoidance) algorithm for EDCA that increases the throughput in saturated situation. The proposed algorithm use reserved field’s bits of FC(Frame Control) using IEEE 802.11e standard’s RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send) mechanism to avoid data collision. The simulation results show that the proposed algorithm improves the performance of EDCA in packet loss. Using Jain’s fairness index formula, we also prove that the proposed APCA algorithm achieves the better fairness than EDCA method under network congested condition.

Saturated Throughput Analysis of Enhanced Distributed Channel Access Mechanism for Supporting Multimedia Services

Bin Xie,Jie Li,Lianggui Liu 보안공학연구지원센터 2014 International Journal of Multimedia and Ubiquitous Vol.9 No.12

Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) mechanism is used in WLAN to support QoS for various multimedia service flows. IEEE 802.11e EDCA introduces some new QoS parameters based on DCF. How to adjust these parameters is a significant problem. In the paper, we present a novel saturated throughput analysis of the IEEE 802.11e EDCA. This approach involves a novel analytical model that is an extension to previous works, which provide Markov chain analysis to IEEE 802.11e EDCA. Throughput analysis of our model is evaluated by comparison with NS2 simulations. We found the model is correct and suitable for both basic access and request-to-send/clear-to-send (RTS/CTS) access mechanisms.

IEEE 802.11e 기반 멀티미디어 네트워크를 위한 MAC 매개 변수 최적화 방법

성민영(Sung, Min-Young) 한국산학기술학회 2008 한국산학기술학회논문지 Vol.9 No.2

EDCA (Enhanced Distributed Channel Access)는 무선 로컬 네트워크에서 QoS를 지원하기 위해 IEEE 802.l1e 표준에서 채택한 채널 접근 방법이다. EDCA는 트래픽을 몇 개의 범주로 분류하고 각 범주마다 채널 접근 매개변수 값을 달리 갖도록 하여 서비스 차등화를 제공한다. 본 논문에서는 비실시간 트래픽에 대해서는 처리량 (throughput)을 최대화하면서 실시간 트래픽에 대해서는 지연 및 처리량 제약조건을 만족시키도록 EDCA 매개변수를 트래픽 환경에 동적으로 적응시키는 기법을 제안한다. 이를 위해, 먼저 EDCA 매개 변수 값의 조합이 갖는 공간을 효율적으로 탐색하는 설계 단계 알고리즘을 개발한다. 그리고 이 알고리즘을 이용하여 각 예상되는 트래픽 환경에 대해 지연-처리량 이득/손실에 대한 파레토 커브 (Pareto curve)를 유도한다. 이 파레토 데이터베이스는 트래픽 환경 및 관리 정책에 따라, 최적으로 매개변수를 조절하는데 사용될 수 있다. 시뮬레이션에 따르면, 표준에서 제시된 매개변수 값을 이용하는 경우에 비해서, 제안된 방법이 실시간 트래픽의 지연 및 처리량 보장에 탁월한 성능을 보이며 비실시 간 트래픽의 처리량을 평균적으로 12% 증가시키는 것으로 나타났다. Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) is a channel access scheme adopted by the IEEE 802.11e draft standard for QoS-enabled wireless local area networks. It classifies traffic into separate Access Categories (ACs) and achieves service differentiation by allowing each AC to have its own values of channel access parameters. This paper proposes a scheme to dynamically adapt the EDCA parameters to traffic environment so that they both maximize the throughput of non real-time traffics and meet the delay and throughput constraints of real-time traffics. For this purpose, we develop a design algorithm for efficient exploration of the EDCA parameter space. Using the algorithm, we derive a Pareto curve for delay-throughput trade-off in each anticipated traffic environment. The Pareto database can then be used to optimally adjust the parameter according to the traffic environment and administrative policies. Simulation results show that compared with the default parameter configuration, the proposed scheme is better for delay, throughput guarantee and can improve the throughput of non real-time traffics by 12% on average.

IEEE 802.11p에서 차량단말기간에 혼잡상황 해결을 위한 동적충돌 윈도우 향상 기법

박현문(Hyun-Moon Park),박수현(Soo-Hyun Park),이승주(Seung-Joo Lee) 大韓電子工學會 2010 電子工學會論文誌-CI (Computer and Information) Vol.47 No.6

본 논문은 IEEE 802.11p에 기반한 CSMA의 미디어 접근 제어로서, 경쟁 차량단말기(OnBord Unit, OBU)의 증가에 따른 전송 지연(transmission delay)과 감소(data throughput decrease) 문제를 해결하고자 한다. 경쟁 기반의 전송매체에서는 OBU 증가에 따라 충돌 확률이 높아진다. 이러한 미디엄 계층의 성능 향상을 위해 교통량과 데이터 종류를 고려하여 접속 단말기의 개별 충돌 윈도(Contention Windows, CW)를 동적으로 조절하는 EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)를 제안하였다. EDCA는 채널별 서비스 차별화를 위해 네 개의 클래스를 AC(Access Category)마다 고정된 최소 경쟁 윈도우(CWmin) 값과 최대 경쟁 윈도우(CWmax) 값을 적용한다. EDCA는 트래픽 특성별로 구분되어 AC 간의 차별화를 보장하지만, IEEE 802.11p에 구성된 채널별 특성과 네트워크 상태를 보장하지 않기 때문에, 짧은 채널 서비스별 혼잡에 따른 충돌 발생을 능동적으로 대처할 수 없다. 이에 따른 해결방안으로 CWminAS(CWmin Adaptation Scheme)와 ACATICT(Adaptive Contention window Adjustment Technique based on Individual Class Traffic)가 능동적인 CW의 제어 기법으로 제시되었다. 선행연구는 개별 AC 값에 따라 발생하는 충돌 확률을 고려하지 않거나 단일 채널 기반의 개별 AC 값만 고려하고, IEEE 802.11p의 채널별 요구 사항과 이에 따른 충돌 확률을 반영하지 않았다. 본 연구는 이전 서비스 구간에서 OBU 경쟁에 따라 발생하는 충돌 횟수와 현재 무선망의 혼잡을 고려하여, 다음 채널의 CW를 능동적으로 제어하는 기법으로 ACCW(Adaptive Control of Contention windows in considering the WAVE situation)를 제안한다. The study aims at offering a solution to the problems of transmission delay and data throughput decrease as the number of contending On-Board Units (OBU) increases by applying CSMA medium access control protocol based upon IEEE 802.11p. In a competition-based medium, contention probability becomes high as OBU increases. In order to improve the performance of this medium access layer, the author proposes EDCA which a adaptive adjustment of the Contention Windows (CW) considering traffic density and data type. EDCA applies fixed values of Minimum Contention Window (CWmin) and Maximum Contention Window (CWmax) for each of four kinds of Access Categories (AC) for channel-specific service differentiation. EDCA does not guarantee the channel-specific features and network state whereas it guarantees inter-AC differentiation by classifying into traffic features. Thus it is not possible to actively respond to a contention caused by network congestion occurring in a short moment in channel. As a solution, CWminAS(CWmin Adaptation Scheme) and ACATICT(Adaptive Contention window Adjustment Technique based on Individual Class Traffic) are proposed as active CW control techniques. In previous researches, the contention probabilities for each value of AC were not examined or a single channel based AC value was considered. And the channel-specific demands of IEEE 802.11p and the corresponding contention probabilities were not reflected in the studies. The study considers the collision number of a previous service section and the current network congestion proposes a dynamic control technique ACCW(Adaptive Control of Contention windows in considering the WAVE situation) for CW of the next channel.

IEEE 802.11e EDCA에서 효율적인 대역폭 측정을 통한 Cross-Layer 기반의 비디오 전송 기법

신필규(Pilgyu Shin),이선헌(Sunhun Lee),정광수(Kwangsue Chung) 한국정보과학회 2008 정보과학회논문지 : 정보통신 Vol.35 No.3

최근 무선 환경에서 스트리밍 서비스의 서비스 품질을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되고있다. 무선 환경의 채널상태 불안정은 높은 전송 지연과 손실을 발생시키게 되고, 결과적으로 사용자 측면에서의 서비스 품질을 저하시키는 문제점을 가진다. 이러한 무선 환경에서의 서비스 품질을 향상시키기 위해 IEEE 802.11 Working Group에서는 IEEE 802.11e를 제안하였고, 이를 기반으로 하는 여러 기법들이 제안되었지만 네트워크 상태에 적응적이지 못한 기존 연구들은 전송큐의 오버플로우와 데이타 손실이 발생하여 전송하는 영상의 품질을 저하시키게 된다. 본 논문에서는 IEEE 802.11e EDCA(Enhanced Distributed Channel Access) 모델을 기반으로 무선환경에서의 멀티미디어 스트리밍 서비스 품질의 향상을 위한 기법을 제안하였다. 제안한 기법은 MPEG-4 영상의 각 프레임의 중요도에 따라 차별적으로 IEEE 802.11e EDCA 모델의 전송 방식을 적용하고, 수신측의 AC(Access Category)를 고려한 효율적인 대역폭 측정을 기반으로 한 송신측의 프레임 폐기를 통해 현재 네트워크 상태에 적응적인 전송율 조절을 한다. 실험 결과를 통해 제안한 기법이 무선 환경의 스트리밍 서비스의 종단간 서비스 품질을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. Promoting quality of streaming service in wireless networks has attracted intensive research over the years. Instable wireless channel condition causes high transmission delay and packet loss, due to fading and interference. Therefore, they lead to degrade quality of video streaming service. The IEEE 802.11 Working Group is currently working on a new standard called IEEE 802.11e to support quality of service in WLANs. And several schemes were proposed in order to guarantee QoS. However, they are not adaptable to network condition. Accordingly, they suffered video qualitydegradation, due to buffer overflow or packet loss. In this paper, to promote quality of video streaming service in WLANs, we propose a cross-layer architecture based on IEEE 802.11e EDCA model. Our cross-layer architecture provides differentiated transmission mechanism of IEEE 802.11e EDCA based on priority of MPEG-4 video frames and adaptively controls the transmission rate by dropping video frames through the efficient bandwidth estimation based on distinction of each AC. Through the simulation, proposed scheme is shown to be able to improve end-to-end quality for video streaming service in WLANs.

무선 랜 멀티미디어 서비스의 QoS 공정성 보장

진현준(Jin, Hyun-Joon),박노경(Park, Nho-Kyung) 한국전기전자학회 2008 전기전자학회논문지 Vol.12 No.4

IEEE 802.11 Working Group에서는 트래픽 클래스 별로 상이한 QoS(Quality of Service)를 제공하기 위하여 새로운 분산 MAC 방식인 EDCA를 제안하였다. 기존의 802.11 MAC 방식과 비교하여 EDCA는 QoS를 제공하기 위하여 AC(Access Category)라 불리는 차별화된 채널 액세스를 통하여 서로 다른 우선순위에 대해 서로 다른 서비스를 제공할 수 있도록 개선된 것이다. 그러나 멀티미디어 환경에서 EDCA는 각 트래픽 별로 항상 고정적인 AC 파라미터를 사용하여 상이한 서비스에 대한 전체적인 Throughput을 고려하지 않는다는 문제점이 있다. 따라서 본 논문에서는 제공되는 전체 서비스에 대한 QoS Throughput의 공정성을 보장하는 AC 파라미터 제어 기법을 제안한다. 제안한 기법은 실시간 환경에서 동적으로 파라미터를 제어하여 기대 Throughput을 유지하도록 한다. 시뮬레이션 결과 제안한 기법은 음성, 영상 및 데이터를 포함하는 멀티미디어 환경에서 Throughput의 편차가 개선되어 QoS의 공정성이 13% 향상됨을 확인할 수 있었다. The IEEE 802.11e working group has announced a new distributed MAC(Medium Access Control) called EDCA(Enhanced Distributed Channel Access) to provide service differentiation among classified traffics. In comparison with the 802.11 legacy MAC, the EDCA provides QoS mechanism by differentiated channel access which is called AC(Access Category) to the frames with different priorities. In multimedia applications, however, the EDCA has some difficulties to achieve QoS throughput because of using fixed AC parameters and never considers overall throughputs, i.e. fairness, for classified services. In this paper, AC parameter control technique is proposed to achieve overall QoS throughputs with differentiated services. The proposed technique controls AC parameters dynamically in real time. Simulation is used to verify the technique and the simulation shows that QoS fairness is improved by 13% in throughput deviation in multimedia environments including voice, video and data service.

Interclass Collision Protection for IEEE 802.11e Wireless LANs

조운선,이채영 에스케이텔레콤 (주) 2009 Telecommunications Review Vol.19 No.6

Distributed Coordination Function (DCF) in IEEE 802.11 and Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) in IEEE 802.11e are contention-based access mechanism in wireless LAN. Both DCF and EDCA reduce collisions based on Inter-Frame Space (IFS) and backoff mechanisms. However, collisions are unavoidable even with the two mechanisms. Especially, in the EDCA, collisions can be classified into interclass and intra-class collision. To eliminate interclass collision in wireless LAN, we propose an Interclass Collision Protection (ICP) scheme by employing Collision Protection Period (CPP) after backoff. Different number of backoff time-slots is inserted to each class. Higher class stations are allowed to transmit before lower class stations end backoff period. Analysis is performed with one dimensional discrete-time markov chain for the EDCA and proposed ICP-based EDCA. Collision probability and throughput of each channel access is examined. Throughput increase is more than doubled with reduced collision probability when the system is saturated.

802.11e의 성능 향상을 위한 개별적 클래스 트래픽에 기반한 동적 충돌 윈도우 크기 조절 기법

엄진영(Jinyeong Um),오경식(Kyungsik Oh),안종석(Jongsuk Ahn) 한국정보과학회 2008 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.14 No.2

본 논문은 IEEE 802.11e EDCA의 성능 향상을 위해서 클래스 트래픽에 기반하여 각 클래스의 경쟁 윈도우의 크기를 동적으로 조절하는 방안을 제안한다. IEEE 802.11e EDCA는 IEEE 802.11 DCF와는 달리 서비스 차별화를 위해 네 개의 클래스 AC마다 고정된 최소 경쟁 윈도우 크기인 CWmin 값과 최대 경쟁 윈도우 크기인 CWmax 값을 적용한다. 트래픽의 특성별로 나뉜 AC의 고정된 파라미터 값은 각 AC간의 차별화를 보장하지만 네트워크 환경이 혼잡할 경우 충돌 발생 확률을 높인다. 이를 해결하기 위해 채널과 네트워크 상태를 고려하여 일정한 주기마다 계산된 충돌 확률로 CWmin 값을 조절하는 CWminAS(CWmin Adaptation Scheme)가 제안되었다. 그러나 이 방식은 AC별 다른 파라미터 값으로 인해 발생되는 각 AC의 충돌 확률을 고려하지 않았다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 AC별 다른 파라미터 값으로 인해 발생되는 각 AC의 충돌 확률을 계산하고, CWmin 값을 조절하는 ACATICT(Adaptive Contention-window Adjustment Technique based on Individual Class Traffic) scheme을 제안한다. 실험 결과 ACATICT가 CWminAS보다 효율이 최대 약 10% 향상되었다. This paper proposes a technique for improving IEEE 802.11e EDCA's performance by dynamically adjusting each class's contention window size based on each class's traffic amount. For providing differentiated service differently from 802.11, 802.11e EDCA maintains four classes each of which specifies different static minimum and maximum contention window sizes. Since the initial window sizes significantly affect the 802.11e performance, several window adjustment schemes have been proposed. One of the schemes known as CWminAS(CWmin Adaptation Scheme) dynamically and synchronously determines the four windows' size based on the periodically measured collision rate. This method, however, can lower the send probability of high priority classes since it can't differentiate their collisions from those of low priority classes, leading to the channel underutilization. For solving this problem, we propose ACATICT(Adaptive Contention-window Adjustment Technique based on Individual Class Traffic) algorithm which adapts each class window size based on each individual collision rate rather than one average collision rate. Our simulation experiments show that ACATICT achieves better utilization by around 10% at maximum.

무선랜 기반 e-Healthcare 시스템에서의 의료용 트래픽의 서비스 품질 보장을 위한 채널 접속 차별화 방안

김영부(Young Boo Kim),박은찬(Eun-Chan Park) 제어로봇시스템학회 2014 제어·로봇·시스템학회 논문지 Vol.20 No.6

The IEEE 802.11e EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) mechanism has been proposed to improve the QoS (Quality of Service) of various services in WLANs (Wireless Local Area Networks). By differentiating the channel access delay depending on ACs (Access Categories), this mechanism can provide the relative service differentiation among ACs. In this paper, we consider that WLAN is deployed in medical environments to transfer medical traffic and we reveal that the quality of the medical traffic (in particular, ECG signals) is significantly deteriorated even with the service differentiation by IEEE 802.11e EDCA. Also, we analyze the reason for performance degradation and show that IEEE 802.11e EDCA has difficulty in protecting the transmission opportunity of high-priority traffic against low-priority traffic. In order to assure medical-grade QoS, we firstly define the service priority of medical traffic based on their characteristics and requirements, and then we propose the enhanced channel access scheme, referred to as DIFF-CW. The proposed scheme differentiates CW (Contention Window) depending on the service priority and modifies the channel access procedure for low-priority traffic. The simulation results confirm that the DIFF-CW scheme not only assures the QoS of medical traffic but also improves the overall channel utilization.

IEEE 802.11e EDCA의 성능 향상을 위한 하이브리드 슬롯 방법

최선민(Sun-Min Choi),김선명(Sunmyeng Kim) 한국정보기술학회 2015 Proceedings of KIIT Conference Vol.2015 No.6