IEEE802.11

IEEE802.11e追加機能
• QoS 制御機能
IEEE802.11無線LANにおける
品質保証制御
神戸大学工学部情報知能工学科
太田能
– 優先権制御型 QoS，パラメータ保障型 QoSの実現
– チャンネル使用期間(TXOP)割当によるより細やかな制御
• ACK 機能
– ブロックACKによる選択的再送の実現
– ユニキャスト通信での ACK なしの実現
• DLS 機能
– Direct Link Setup による同一 BSS 内局の直接通信
• パワーマネジメント機能
– QoS を考慮したパワーマネジメント機能
• 高精度時間同期機能
– Higher Layer Timer Synchronization
FINE
FINE
802.11 TG (1/2)
TG名
a
b
c
d
f
g
h
i
j
802.11 TG (2/2)
検討内容
5GHz PHY (OFDM)
2.4GHz PHY (CCK)
MAC層ブリッジング補足機能
地域的周波数規制適合技術
AP間通信プロトコル (Inter-Access Point Protocol)
2.4GHz PHY 高速化 (CCK, OFDM)
5GHz PHY 欧州周波数規制対応技術
セキュリティ拡張機能 (TLS, TKIP, AES)
4.9 – 5 GHz PHY 日本適用技術
TG名
e
k
m
n
p
r
s
T
u
v
FINE
– 802.11 規定
– 直接通信可能な局により構成
– Ad hoc network
規格メンテナンス
高スループット無線LAN
移動体無線アクセス技術（車々，車AP間）
高速ローミング
メッシュネットワーク
無線性能予測検討
外部ネットワークとの連携技術
管理技術（ローカル，外部からの管理）
FINE
ネットワーク形態 (1/2)
• BSS: Basic Service Set
検討内容
MAC層拡張 (QoS)
無線資源測定技術(PHY, MAC情報を上位層に提供)
• Extended Service Sets
–
–
–
–
802.11 規定
AP により DS に収容し，エリア拡張
有線LANとの統合
BSS間でのノード移動サポート
ネットワーク形態 (2/2)
• QBSS: QoS Basic Service Set
–
–
–
–
–
802.11e 規定
QoS 拡張機能利用可能な BSS
QSTA: QoS 機能利用可能な STA
QAP: QoS 機能利用可能な AP
QIBSS: Ad-Hoc mode
(Distributed Service)
FINE
FINE
提供サービス(1/3)
MACアーキテクチャ
優先制御型QoSサービス
競合型
• 802.11(e)で提供されるサービス
非競合型
パラメータ保障型QoSサービス
スケジューリング制御
– DSについての詳述しない代わりにサービスを規定
– カテゴリに分類
• Station Service
• DS Service
非競合型
ポーリング制御
802.11 で規定
802.11e で規定
競合型
分散アクセス
必須機能
FINE
FINE
提供サービス(2/3)
• Station Service
– Authentication
提供サービス(3/3)
• DS Service
– Association
• STAをAPに接続するサービス．DSはSTA移動サポートにこの情報を利
用する．
• 認証により有線 LAN と同等の物理的セキュリティを実現
– Deauthentication
• 認証解除の機能
– Privacy
• 暗号化により無線の脆弱性を補うサービス
• WEP (Wired Equivalent Privacy)
– Disassociation
• 接続解除の通知（STA, APの双方から出せる）
– Distribution
• DSを介してフレーム転送をおこなう基本サービス．
– Integration
• 802.X LAN との接続．
– MSDU delivery
• MSDU (MAC Service Data Unit) の局間通信機能
– Reassociation
• BSS間移動，同一APへの接続属性変更．
– Higher-layer timer synchronization
• 音声，映像のため高精度時間同期．QSTAへのﾏﾙﾁｷｬｽﾄ
– QoS traffic scheduling
– QoS traffic scheduling
• QBSS内フレーム転送の差別化
FINE
通信開始から終了までの流れ(1/3)
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
ネットワーク探索
認証
接続・再接続
受付制御
データ送信
接続解除
認証解除
FINE
FINE
通信開始から終了までの流れ(2/3)
① ネットワークの発見
z
発見方法は２種類
-
z
Active scan: probe request / probe reply
Passive scan: ビーコンの監視
プローブ応答，ビーコンからトラヒック負荷を知ることが
可能（ローミングの判断が可能）
FINE
通信開始から終了までの流れ(3/3)
②
③
④
⑤
⑥
⑦
フラグメント
認証
接続・再接続
受付制御
データ送信
接続解除
認証解除
• 長いフレームほど誤り検出能力が低下
• MSDU / MMPDU を MPDU へ分割
Association
AP への（再）接続の際，STA は，BSSID
(APのMACアドレス) を知るとともに，AID
(Associate ID) が割り当てられる．
BSSID(AP MACアドレス)は，APへの通
信に使用される．
QoS, DLS, Block Ack Action
MSDU: MAC Service Data Unit
MMPDU: MAC Management Protocol Data
Unit
MPDU: MAC Protocol Data Unit
ビーコン，プローブ応答，認証応答，接続応答，再接続
応答から AP の機能がわかる（追加された機能含む）
FINE
FINE
フレーム制御フィールド (1/2)
MACフレーム基本フォーマット
•
•
•
•
•
•
•
•
•
• IEEE802.11
• IEEE802.11e
で囲まれた箇所はすべて
のフレームにあるフィー
ルド
FINE
Protocol version: プロトコルバージョン
TYPE: 管理(Management)，制御(Control)，データ(Data)
Subtype: 各 Type ごとの詳細な分類
To DS, From DS: APを経由するか否か（アドレスフィールド４の有無）
More Fragment: 後続フラグメントがあるかどうか
Retry: 再送 MPDU かどうか
Power Management: 送信局が省電力モードにあるかどうか
WEP: フレームボディを暗号化しているかどうか
Order: パケットの中継順序を維持するかどうか（QSTAでは0にセット）
FINE
フレーム制御フィールド (2/2)
• To/From DS フィールド
– BSSID は AP の MAC アドレス
– Address1 は該当フレームを受信する局の MAC アドレス
– Address2 は該当フレームを送信した局の MAC アドレス
QoS制御フィールド
•
•
•
•
TID の識別
HCからのサービス期間終了の通知
ACK 方式の通知：通常ACK，ACKなし，非明示ACK，BlockACK
non-AP QSTA からのTXOP要求，状態通知
DA: 宛先アドレス（最終的にフレームが届けられる局のアドレス）
SA: 送信元アドレス（該当フレームを最初に生成した局のアドレス）
TA: 送信局アドレス（該当フレームを送信した局のアドレス）
RA: 受信局アドレス（該当フレームを受信する局のアドレス）
FINE
FINE
DCF/EDCF
• CSMA/CA によるメディアアクセス制御
IFSによるフレーム優先権制御
• フレーム Type 間，データフレーム間の優先制御に利用
– キャリアセンス型
– Inter Frame Space によるフレーム優先権制御
– バックオフ制御による衝突回避機能
– RTS/CTS による仮想キャリアセンス機能
802.11e で追加
SIFS: Short Inter Frame Space，ACK, CTS が使用する時間間隔
PIFS: PCF Inter Frame Space，ポーリング用フレームが使用する時間間隔
DIFS: DCF Inter Frame Space，DCF において使用する時間間隔
EIFS: Extended Inter Frame Space，フレーム受信失敗後に待つ時間間隔
AIFS: Atribution Inter Frame Space，AC ごとに異なる値を使用(802.11e)
FINE
バックオフ制御による衝突回避機能(1/2)
• アイドル判断時に一斉にフレーム送信すると衝
突が発生
FINE
バックオフ制御による衝突回避機能(2/2)
• 負荷に応じてフレーム送信頻度を制御
– 高負荷時にバックオフ時間を長くするべき
– Backoff 時間により送信タイミングをずらす必要あり
Random() は [0, CW] 内の一様乱数を返す．
ただし，
CWmin ≦CW ≦ CWmax
aSlotTIme はPHYごとに規定される時間
EDCA では，CWmin, CWmax を AC ご
とに差別化している．
CWmin, CWmax が大きいほどフレーム
送信頻度が抑えられる
FINE
FINE
EDCAデフォルトパラメータ
• EDCAパラメータの告知
– ビーコン，接続応答，再接続応答，プローブ応答を使用
– QAP は告知したパラメータと異なる値を使用可能
IFSデフォルト値
• 物理媒体ごとに規定
名称
SIFS
PIFS
28us
78us
10us
30us
DIFS
128us
50us
EIFS
TXOP 獲得後，TXOP Limit の間，MPDU を連続送信可能
TXOP Limit が 0 の場合，1 MPDU のみ送信可能
FINE
SIFS<PIFS<DIFS<EIFS
時間規定 2.4GHz
1Mbps/2Mbps 5.5Mbps
11Mbps
FH
DS
284us 252us
+8ACK +8ACK
10us
30us
5GHz
用途
16us CTS, ACK送信
25us PCF用
34us RTS,通常ﾌﾚｰﾑ送信
50us
252us
74us FCSエラー発生時
+8ACK +8ACK
SIFS: Short IFS, PIFS: Point IFS, DIFS: Distributed IFS, EIFS: Extended IFS
FINE
RTS/CTS による仮想キャリアセンス機能(1/2)
隠れ端末問題
送信
2
1
RTS/CTSメカニズム
衝突
RTS
4
3
送信
2
• EDCA での変更点
– RTS フレームの Duration field への設定値
CTS
4
DATA
1
RTS/CTS による仮想キャリアセンス機能(2/2)
ACK
3
カウンタ NAV (Network Allocation Vector)
が非零の間は，媒体がビジーと仮想的に判断
RTS/CTSフレームの Duration field に
は NAV にセットすべき時間が格納され
ている
• RTSフレームによる後続 ACK の保護
• CTSフレームによる受信 Data の保護
FINE
• 先頭または単独フレームのみ保護の場合：DATA+CTS+3SIFS
• それ以外：残りのTXOP
– CTS フレームの Duration field への設定値
• 先頭または単独フレームのみ保護の場合：
DATA+SIFS [+(ACK | Block ACK)+SIFS]
• それ以外：残りの TXOP
FINE
EDCA受付制御
• TSPEC を含む ADDTS 要求を AP に送信
• AP は ADDTS 応答で可否を通知
EDCAでのACへの分類
• ユーザプライオリティを 4 アクセスカテゴリに分類
– 受理：媒体時間（媒体を使用できる時間?）を通知
（付録I.2.2で計算）
– 拒否：Status コードで理由や代案を通知
EE: Excellent Effort, NC: Network Control
FINE
FINE
EDCA参照実装モデル
• AC ごとに CSMA/CD を実行
• STA 内で競合発生の場合
– 高優先権の AC が送信を試み，負けた AC は衝突発生と同様に振舞う
ただし，再送ビットは立てない
PCF/HCCA
• 非競合期間(CFP)と競合期間(CP)に分けられる
PCF では CFP はほぼ周期的
に開始される．CFPの終了は
CF-End (+CF-ACK) フレーム
により通知する．
HCCA では，CFP 以外にも
PIFS を利用して WM を獲得
し，TXOP を割り当てる．ポー
リング開始のタイミングがほぼ
任意．AP が媒体を管理してい
る時間帯を CAP (Controlled
Access Phase) と呼ぶ．
FINE
FINE
PCFにおけるポーリング
HCCA におけるポーリング
• AID リストの全局をAIDの昇順にポーリング後，まだ CFP が
残っている場合は，任意の局に１回以上ポールしてよい．
• CF-End (+DATA-ACK) により CFP の終了を通知
• QoS CF-Poll により TXOP を割り当てる
• 割当 TXOP 間は，SIFS 間隔で送信可能
• HC はポールすべき局も送信すべきフレームもない場合，時
局宛に 0 の TXOP を割り当てる QoS CF-Poll を送ることで
注）正しく受信されたときは，送信データがなくても
Null Frame を送信しなければならない
FINE
HCCA受付制御 (1/6)
• ADDTS要求 / 応答により TSPEC 交渉
• 交渉成立後，QSTA・HC間に TS が設定
• 受付後，HC からは TSPEC 変更不可（品質保証）
ADDTS要求／応答で交換される TSPEC エレメントのフォーマット
FINE
HCCA受付制御 (2/6)
• 制御環境（干渉などがない）で QoS 要求を満足
• スケジューラの標準動作
– サービス間隔（SI: Service Interval）ごとにサービス時間
（SP: Service Period）を提供
• SPは1つ以上の下りユニキャストフレームと1つ以上のTXOPが
保障される連続した期間
– TXOP は，少なくとも，Maximum MSDU（未定義の場合
Nominal MSDU）を最低速度で送信可能な時間に設定
• ベンダー実装マター
– スケジューリングアルゴリズムの最適化
– ポーリングオーバヘッドの削減
– TXOP期間の増大など
FINE
HCCA受付制御 (3/6)
• スケジューラ参照設計(付録I.3.3.1)(1/3)
– TSPEC必須パラメータ
FINE
HCCA受付制御 (4/6)
• スケジューラ参照設計(付録I.3.3.1)(2/3)
– SI 間に到着する MSDU 数
• 平均データレート，公証MSDUサイズ，最大サービス
間隔（又は許容遅延）
– 全 TS の最大サービス間隔の最小値 m を計算
• もっとも遅延に厳しいTSの最大SIを満足させる
ρi : 平均データレート，Li: 公称 MSDU 長
– TPi に割り当てられる TXOPi
– SI としてmより小さいビーコン間隔の約数を選択
• m より小さくなるようビーコン間隔を等分した期間を SI
とする
FINE
Ri: 物理伝送レート，M: 最大 MSDU 長，O: オーバヘッド
FINE
HCCA受付制御 (5/6)
• スケジューラ参照設計(付録I.3.3.1)(3/3)
– ビーコン間隔 100ms，最大SI 60ms の例
HCCA受付制御 (6/6)
• 受付制御ユニット参照設計
– TS受付の判定をおこなう
– k 本の TS が既に収容
– 新規に TS が到着したと仮定： k + 1 番目
– 次式が成立すれば新規 TS を受付
– TXOPの和がSIを超えない範囲で収容可能
TXOPの総和が占める時間割合
FINE
CP以外（CFP or CAP）の時間割合
FINE
ブロックACK
• 選択的再送の実現（受信エラーフレームのみ再送）
ブロックACK
• 2種類の方式あり：即時型と遅延型
即時型
遅延型
とりあえず簡単な返事だけ済ましておく
ADDBA要求 / 応答により
セットアップ後使用
BlockAckReq / BlockAck に
より選択的再送実現
DELBA要求によりセットアッ
プ解除
ブロック内フレーム数，受信
側で維持する状態数は制限
複数 TXOP にまたがって送
信可能
BlockAck要求に対して即時応答
広帯域，低遅延トラフィック向け
FINE
FINE
Direct Link Set-up
• BSS内での直接通信を実現
– AP中継は帯域の無駄
– セットアップには QAP が仲介
• PS受信局を起せるのはAPだけ
• 送受信間でレートセットなどの情報を事前に交換する
必要がある
FINE
BlockAck要求に対して準備で出来次第応答
中遅延トラフィック向け

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