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802.11e für QoS

802.11e für QoS

Die auf dem 802.11-Standard basierende Wi-Fi-Technologie ist mittlerweile weit verbreitet. Es wird nicht nur verwendet, um echte WLAN-Funktionen (WLAN) bereitzustellen, sondern es wird auch häufig verwendet, um lokalisierte mobile Konnektivität in Form von "Hotspots" bereitzustellen. Für IEEE 802.11 stehen verschiedene Varianten zur Verfügung: 802.11a, 802.11b, 802.11g. Diese unterschiedlichen Standards bieten unterschiedliche Datendurchsatzgeschwindigkeiten und arbeiten auf unterschiedlichen Bändern.

Einer der Hauptmängel bei der Entwicklung von Wi-Fi-Anwendungen besteht darin, dass es nicht möglich ist, der jeweiligen Anwendung die erforderliche Servicequalität zuzuweisen. Mit IEEE 802.11e wird jetzt das Quality of Service- oder QoS-Problem behoben.


Die Notwendigkeit für QoS

Das Problem der Dienstgüte und der QoS bei 802.11-WLAN ist in einigen Anwendungen von besonderer Bedeutung, und 802.11e befasst sich dementsprechend damit. Bei Surfanwendungen wie dem Surfen im Internet beim Senden von E-Mails haben Verzögerungen beim Empfangen von Antworten oder beim Senden von Daten keine wesentlichen Auswirkungen. Dies führt zu langsamen Downloads oder kleinen Verzögerungen beim Senden von E-Mails. Dies kann den Benutzer zwar geringfügig stören, hat jedoch keine wirklichen betrieblichen Auswirkungen auf den bereitgestellten Dienst. Für Anwendungen wie Sprach- oder Videoübertragung wie Voice over IP, VoIP ist die Auswirkung jedoch weitaus größer, und dies führt zu einem viel größeren Bedarf an 802.11e. Verzögerungen, Jitter und fehlende Pakete führen dazu, dass das System die Daten verliert und die Servicequalität schlecht wird. Dementsprechend ist es für diese zeitkritischen Anwendungen erforderlich, den Verkehr priorisieren zu können. Dies kann nur durch Zuweisen einer Dienstprioritätsstufe zu den gesendeten Paketen erfolgen, und dies wird jetzt alles durch den IEEE-Standard 802.11e geregelt.


MAC-Schicht

Die Art und Weise, wie Daten übertragen und gesteuert werden, hat einen großen Einfluss auf die Art und Weise, wie QoS erreicht wird. Dies wird weitgehend durch die Funktionsweise der MAC-Schicht (Medium Access Control) bestimmt. Innerhalb von 802.11 gibt es zwei Optionen für die MAC-Schicht. Das erste ist ein zentrales Steuerungsschema, das als Point Coordination Function (PCF) bezeichnet wird, und das zweite ist ein konkurrenzbasierter Ansatz, der als Distributed Coordination Function (DCF) bezeichnet wird. Von diesen wenigen Herstellern von Chips und Geräten haben sie PCF implementiert, und die Industrie scheint den DCF-Ansatz übernommen zu haben.

Der PCF-Modus unterstützt zeitkritische Verkehrsströme bis zu einem gewissen Grad. Drahtlose Zugangspunkte senden regelmäßig Beacon-Frames, um die für dieses WLAN spezifische Netzwerkverwaltung und -identifikation zu kommunizieren. Zwischen dem Senden dieser Frames teilt PCF den Zeitrahmen in einen konkurrenzfreien Zeitraum und einen Konfliktzeitraum auf. Wenn PCF auf der Remote-Station aktiviert ist, kann es Daten während der konkurrenzfreien Abfrageperioden übertragen. Der Hauptgrund, warum dieser Ansatz nicht weit verbreitet ist, liegt darin, dass die Übertragungszeiten nicht vorhersehbar sind.

Das andere Schema, DCF, verwendet ein Schema namens Carrier Sense Multiple Access mit Kollisionsvermeidung (CSMA / CA). Innerhalb dieses Schemas sendet die MAC-Schicht Anweisungen an den Empfänger, nach anderen sendenden Trägern zu suchen. Wenn es keine sieht, sendet es sein Paket nach einem bestimmten Intervall und wartet auf eine Bestätigung. Wenn man es nicht empfängt, weiß es, dass sein Paket nicht erfolgreich empfangen wurde. Es wartet dann auf ein bestimmtes Zeitintervall und überprüft auch den Kanal, bevor es erneut versucht, sein Datenpaket zu senden.

Genauer gesagt verwendet der Sender eine Vielzahl von Methoden, um zu bestimmen, ob der Kanal verwendet wird, um die Aktivität zu überwachen, die nach realen Signalen sucht, und um auch zu bestimmen, ob irgendwelche Signale erwartet werden können. Dies kann erreicht werden, weil jedes übertragene Paket einen Wert enthält, der die Zeitdauer angibt, die die sendende Station erwartet, um den Kanal zu belegen. Dies wird von allen Stationen bemerkt, die das Signal empfangen, und erst wenn diese Zeit abgelaufen ist, können sie eine Übertragung in Betracht ziehen.

Sobald der Kanal frei zu sein scheint, muss die potenzielle Sendestation eine Zeitspanne warten, die dem DCF Inter-Frame Space (DIFS) entspricht. Wenn der Kanal aktiv war, muss er zuerst auf eine Zeit warten, die aus dem DIFS plus einer zufälligen Anzahl von Back-Off-Slot-Zeiten besteht. Dies soll sicherstellen, dass zwei Stationen, die auf die Übertragung warten, nicht beide zusammen senden und dann wiederholt zusammen senden.

Hierfür wird eine als Contention Window (CW) bekannte Zeit verwendet. Dies ist eine zufällige Anzahl von Back-Off-Slots. Wenn ein Sender, der senden möchte, erkennt, dass der Kanal aktiv wird, muss er warten, bis der Kanal frei wird, und eine zufällige Zeitspanne warten, bis der Kanal frei wird, diesmal jedoch eine längere CW zulassen.

Während das System gut daran arbeitet, das gemeinsame Senden von Stationen zu verhindern, führt die Verwendung dieses Zugriffssystems dazu, dass bei hoher Netzwerknutzung die Zeit für die erfolgreiche Datenübertragung zunimmt. Dies führt dazu, dass das System für die Benutzer langsamer zu werden scheint. In Anbetracht dessen bieten WLANs in ihrer aktuellen Form möglicherweise keine geeignete QoS für Systeme, bei denen eine Echtzeit-Datenübertragung erforderlich ist.


Einführung in QoS

Das Problem kann behoben werden, indem eine QoS-Kennung (Quality of Service) in das System eingeführt wird. Auf diese Weise können Anwendungen, bei denen eine hohe Servicequalität erforderlich ist, ihre Übertragungen kennzeichnen und Vorrang vor den Übertragungen haben, die Daten enthalten, für die keine sofortige Übertragung und Antwort erforderlich ist. Auf diese Weise kann die Verzögerung und der Jitter bei Daten, wie sie beispielsweise für VoIP und Video verwendet werden, verringert werden.

Um die QoS-Kennung einzuführen, musste eine neue MAC-Schicht entwickelt werden, und dies wurde unter dem Standard IEEE 802.11e durchgeführt. Dabei wird dem Verkehr vor der Übertragung eine Prioritätsstufe zugewiesen. Diese werden als UP-Ebenen (User Priority) bezeichnet und es gibt insgesamt acht. Anschließend priorisiert der Sender alle Daten, auf deren Senden er warten muss, indem er ihm eine von vier Zugriffskategorien (AC) zuweist.

Um die erforderlichen Funktionen zu erreichen, übernimmt die neu entwickelte MAC-Schicht Aspekte sowohl der DCF als auch der PCF aus den vorherigen Alternativen der MAC-Schicht und wird als Hybrid Coordination Function (HCF) bezeichnet. In diesem Fall werden die modifizierten Elemente des DCF als Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) bezeichnet, während die Elemente des PCF als HCF Controlled Channel Access (HCCA) bezeichnet werden.


EDCA

Von diesen bietet die EDCA einen Mechanismus, mit dem der Verkehr priorisiert werden kann, der jedoch ein konkurrenzbasiertes System bleibt und daher keine QoS für das Geben garantieren kann. In Anbetracht dessen ist es immer noch möglich, dass Sender mit Daten von geringerer Wichtigkeit noch Daten von einem anderen Sender mit Daten von höherer Wichtigkeit vorwegnehmen können.

Bei Verwendung von EDCA wurde eine neue Klasse von Interframe-Räumen eingeführt, die als Arbitration Inter Frame Space (AIFS) bezeichnet wird. Dies wird so gewählt, dass je höher die Priorität der Nachricht ist, desto kürzer der AIFS und damit verbunden ist auch ein kürzeres Konfliktfenster. Der Sender erhält dann auf normale Weise Zugriff auf den Kanal. Angesichts des kürzeren AIFS und des kürzeren Konkurrenzfensters bedeutet dies jedoch, dass die Wahrscheinlichkeit, dass er Zugriff auf den Kanal erhält, umso höher ist. Obwohl statistisch gesehen eine Nachricht mit höherer Priorität normalerweise den Kanal erhält, ist dies nicht immer der Fall.


HCCA

Die HCCA verwendet eine andere Technik unter Verwendung eines Abfragemechanismus. Dementsprechend kann es Garantien für das Serviceniveau geben, das es bereitstellen kann, und dadurch ein echtes Quality of Service-Niveau bereitstellen. Auf diese Weise kann der Sender für eine bestimmte Anzahl von Paketen auf einen Funkkanal zugreifen, und erst nachdem diese gesendet wurden, wird der Kanal freigegeben.

Die Kontrollstation, die normalerweise der Access Point ist, wird als Hybrid Coordinator (HC) bezeichnet. Es übernimmt die Kontrolle über den Kanal. Obwohl es ein IFS hat, hat es ein sogenanntes Point Coordination IFS. Da dies kürzer als das zuvor erwähnte DIFS ist, erhält es immer die Kontrolle über den Kanal. Sobald es die Kontrolle übernommen hat, fragt es alle Stationen oder Sender im Netzwerk ab. Zu diesem Zweck wird ein bestimmter Frame gesendet, der den Beginn der Abfrage angibt, und jede Station wird nacheinander abgefragt, um die höchste Priorität zu bestimmen. Dadurch kann der Sender mit den Daten mit der höchsten Priorität senden, obwohl dies zu längeren Verzögerungen für Verkehr mit niedrigerer Priorität führt.

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