Hlavní navigace

Kvalita služby ve WLAN: 802.11e

Rita Pužmanová 5. 2. 2004

Realizovat hlasové a jiné interaktivní služby citlivé na zpoždění či ztráty paketů v rámci podnikové WLAN se zdá nanejvýš přirozené, ale stávající specifikace 802.11 zatím neumožňuje uspokojivě a spolehlivě přenášet hlas spolu s ostatními daty. Firemní řešení existují už dlouho, ale mezinárodní norma se teprve letos dočká schválení.

Jestliže přenos hlasu po IP sítích může být problém, který je třeba řešit doplňkovými mechanizmy na podporu kvality služby (QoS, Quality of Service), a jestliže přenos hlasu po lokálních sítích také není součástí standardního řešení, pak bezdrátové rádiové sítě znamenají navíc ještě specifické přenosové prostředí, které je třeba zohlednit.

Bezdrátové spoje mají jiné charakteristiky než pevné spoje. Ovlivňuje je útlum signálu, rušení a šum, které závisejí na místě a době vysílání a které následně vedou k chybám a také v čase se měnící kapacitě kanálu. Prostředí může značně ovlivňovat kvalitu a sílu rádiového signálu, podobně jako vzdálenost či vzájemné rušení.

Pro přenos dat citlivých na zpoždění, kolísání zpoždění či ztrátu paketů je potřeba jednotlivým typům paketů (provozu) zaručit správné zacházení v síti při přenosu od zdroje k cíli, tedy určitou kvalitu služby (QoS). Stávající normy řady 802.11 nečiní žádné rozdíly mezi typy provozu, neexistuje mezi nimi totiž žádný rozlišující prvek. Firemní řešení (zejména pro přenos hlasu) po WLAN sice již nějakou dobu existují (např. Symbol Technologies, SpectraLink a Vocera Communications), ale jsou zatím vzájemně neslučitelná, protože zatím neexistuje schválená mezinárodní specifikace pro VoWLAN (VoWLAN, Voice over Wireless Local Area Network).

Připomeňme, že mezi metriky QoS patří koncové zpoždění (doba mezi vysláním paketu od zdroje a jeho doručením zamýšlenému příjemci), kolísání zpoždění (jitter, rozdíl v intervalech mezi přijímanými pakety), ztráta paketů (podíl přijatých paketů a vyslaných paketů za jednotku času) a šířka pásma (přenosová kapacita) související s propustností (objem dat úspěšně přenesený za jednotku času).

Hlasový provoz se od datového provozu značně liší svým charakterem i požadavky. Na rozdíl od dat, která jsou shluková, potřebuje hlas menší, ale zato konstantní šířku pásma (v závislosti na rychlosti vzorkování, kodeku a režii na 2. vrstvě). Citlivost na zpoždění je u hlasu výrazně vyšší než u dat. Maximální jednosměrná latence by se měla pohybovat pod 180 ms a maximální kolísání zpoždění pod 30 ms. Citlivost na ztráty paketů je u hlasu menší než u dat; maximální doporučená hodnota se pohybuje kolem jednoho procenta.

Kvalita služby ve WLAN

Norma specifikující podporu pro QoS v bezdrátových lokálních sítích bude mít označení IEEE 802.11e a bude sloužit jako doplněk ke stávajícim normám 802.11a/b/g. Původní specifikace 802.11 protokolu pro přístup k médiu (rádiovému kanálu) umožňuje dva režimy komunikace: DCF a PCF. Ani jeden nerozlišuje mezi typy provozu, takže nemohou bez rozšíření podporovat QoS.

Běžně používaný mechanizmus DCF (Distributed Coordination Function) zajišťuje koordinaci přístupu k rádiovému kanálu, ale nepodporuje žádné priority přístupu. DCF je jednoduchý mechanizmus vhodný pro asynchronní datové přenosy. Nepodporuje však požadavky na QoS a negarantuje zpoždění ani šířku pásma, pouze poskytuje službu best effort.

Režim DCF pro 802.11 je navržený pro datové přenosy a je založený na metodě přístupu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Stanice musí před vysíláním nejprve naslouchat, zda nevysílá někdo jiný. Mechanizmus pro obranu proti kolizím používá dvě techniky: vkládání mezery mezi vysílanými rámci (IFS, InterFrame Space) a odklad vysílání (backoff). Interval DIFS (DCF IFS) odpovídá době povinného čekání po zjištění volného vysílacího kanálu, než stanice může začít sama vysílat (50 ?s pro 802.11b). Pokud v této době začne vysílat jiná stanice, musí se vysílání odložit.

Interval odkladu vysílání si každá stanice vybírá náhodně z intervalu mezi nulou a velikostí tzv. okna sváru (CW, Contention Window). Stále však může dojít ke kolizi, protože pokud se o vysílací kanál uchází více stanic. Velikost okna sváru se při každé kolizi zdvojnásobuje (exponential backoff). Jakmile interval odkladu vyprchá a médium je volné, může stanice začít vysílat. Mechanizmus vysílání s DCF naznačuje obrázek 1.

1076
Obrázek 1: Režim DCF ve WLAN

Příjemce (případně přístupový bod) po obdržení paketu čeká po dobu SIFS (Short IFS, kratší než DIFS) a pak vyšle potvrzení přijetí paketu. Potvrzování je ve WLAN důležité, protože může dojít k chybě přenosu buď kvůli kolizi nebo pro nedostatečnou kvalitu kanálu.

Režim PCF (Point Coordination Function) je určen pro synchronní datové přenosy, ale implementuje se jen zřídka (jedná se o volitelný mechanizmus přístupu). Navíc jej lze využít pouze ve WLAN s infrastrukturou (tj. s přístupovým bodem), nikoli v ad hoc sítích.

Režim PCF v 802.11 pracuje tak, že přístupové body WLAN (přesněji: koordinační bod na nich umístěný) periodicky vysílají rámce typu beacon, kterými sdělují stanicím v síti specifické parametry pro identifikaci a management. Mezi vysíláním těchto administrativních rámců dělí přístupový bod dobu na dvě části: doba bez boje o médium (contention-free) a doba, kdy probíhá boj o médium (contention).

Stanice s prioritními daty může na základě výzvy získat povolení ke garantovanému vysílání po dobu, kdy nemusí o médium s nikým jiným bojovat. PCF používá interval PIFS (PCF IFS) pro ohlášení intervalu bez kolizí pro stanice s prioritou vysílání. PIFS (30 ?s pro 802.11b) je kratší než DIFS, ale delší než SIFS u režimu DCF.

Rozšíření WLAN pro QoS: 802.11e

Dokončovaná norma IEEE 802.11e musí na podporu QoS rozšířit oba stávající režimy přístupu k rádiovému kanálu, povinný DCF (rozšíření EDCF) i volitelný PCF (rozšíření HCF). Navíc musí zajistit také zpětnou slučitelnost se zařízeními nevybavenými podporou pro QoS (podle původních norem 802.11a/b/g).

Rozšíření režimu DCF představuje funkce pod označením EDCF (Enhanced Distribution Coordination Function). ECDF představuje pravděpodobnostní prioritní mechanizmus pro alokaci šířky pásma na základě kategorií provozu. Každá stanice může mít až čtyři kategorie provozu na podporu osmi úrovních priority. Tabulka 1 naznačuje mapování priorit na kategorie přístupu odpovídající jedné ze čtyř vysílacích front. Každá stanice může vysílat, jakmile je médium volné, ovšem po intervalu čekání, který odpovídá dané kategorii provozu (AIFS, Arbitration Interframe Space). AIFS se prodlužuje se snižující se prioritou provozu, takže stanice s vysokou prioritou provozu bude čekat kratší dobu než stanice s daty příslušejícími provozu o nižší prioritě. Přístup k médiu se tak stává řízeně neférový, kdy provoz s vyšší prioritou je upřednostněn na úkor provozu s prioritou nižší.

1078
Tabulka 1: Mapování priority na kategorii přístupu

Vztahy mezi jednotlivými dobami čekání u EDCF naznačuje obrázek 2.

1077
Obrázek 2: 802.11e EDCF

Aby nedocházelo ke kolizím mezi provozem o stejné úrovni priority, stanice musí navíc počkat ještě určitou dobu (náhodný počet časových úseků), odpovídající oknu sváru (contention window), než může odeslat připravená data.

Centralizované protokoly pro QoS a HCF

Pro zajištění příslušné kvality služby (QoS) ale ECDF nestačí a jsou potřeba centralizované protokoly (v bezdrátových sítích se obecně nejčastěji uvažují rezervační TDMA, Time Division Multiple Access, nebo mechanizmy výzvy a plánování vysílání). S centralizovanými protokoly si každá mobilní stanice vyžádá od přístupového bodu právo vysílat (na přístup k rádiovému kanálu). Přístupový bod může vykonávat řízení přístupu do sítě, přidělování šířky pásma a řízení přístupu ke kanálu. U 802.11 je centralizovaným protokolem PCF, pracující na základě výzvy.

Režim PCF se v 802.11e rozšíří o hybridní funkci HCF (Hybrid Coordination Function). Přístupový bod vyzve stanici v době bez boje o médium (contention-free), a pokud stanice chce vysílat, udělí jí specifickou dobu zahájení vysílání a dobu trvání vysílání. HCF se věnuje podstatně menší pozornost než EDCF, protože i PCF se implementovalo jen zřídka.

WiFi Aliance a WME jako dočasné řešení

WiFi Aliance původně plánovala dvoustupňový proces pro certifikaci zařízení WLAN s podporou pro QoS, podobně jako v případě zabezpečení WLAN (dočasné řešení WPA, WiFi Protected Access, podle něhož certifikuje zařízení, dokud nebude bezpečnostní norma 802.11i k dispozici). Dočasné řešení pro podporu QoS existuje pod označením WME (Wireless Multimedia Extensions), které podporuje pouze některé prvky pro QoS z budoucí normy, jako označování rámců podle priorit a odpovídající řazení do front (priority tagging and queueing). WME podporuje čtyři místo osmi úrovní priorit, které budou v 802.11e.

Podle WME se nebude zřejmě certifikovat, pokud bude plnohodnotná norma 802.11e schválena do června 2004. Pokud norma IEEE 802.11e bude schválena rychle, mnoha hráčům na poli QoS a WLAN se hodně uleví a WME bude nadbytečné. Hlasové i jiné služby citlivé na zpoždění pak již bude možné realizovat na základě otevřeného technického řešení a bude také možné podporovat roaming mezi WLAN od různých výrobců i pro hlasová spojení. Právě pro hlasový roaming po WLAN ale pravděpodobně vznikne ještě další doplňující norma k dokončovaným 802.11e (QoS) a 802.11i (bezpečnost), aby se zajistilo bezpečné (autentizace uživatelů a šifrování) a přitom rychlé předávání uživatelů (pod 50 ms) mezi jednotlivými přístupovými body, které právě hlasové služby vyžadují (fast secure roaming).

Zájem o VoWLAN

Hlas po WLAN zatím nepředstavuje velký podíl na trhu se službami WLAN, ale podobně jako u IP telefonie bude velmi pravděpodobně zájem o konvergovanou hlasovou a datovou bezdrátovou LAN v podnicích v následujících letech vzrůstat. K tomu by měla také výrazně napomoci právě jednotná specifikace 802.11e.

Podle průzkumů společnosti In-Stat/MDR má vzrůst obrat z hlasových služeb po WLAN z 16,5 miliónů dolarů v roce 2002 na 507 milionů v roce 2007.

Anketa

Jaký je váš pohled na hlasové služby po WLAN?

Našli jste v článku chybu?

9. 12. 2006 12:07

Tommi (neregistrovaný)
hehe koukám že sem to napsal obráceně Contention period je soutěž tudíž DCF a contention-free je bez soutěže tudíž PCF. No stane se :-))

9. 12. 2006 11:27

Tommi (neregistrovaný)
No a nebos byl zhulenej ty když jsi to četl :-)) Ona neříká že při pouze DCF se nevysílá, samozřejmě že ano, ale zmínila to tam proto, že u PCF je rámec beacon rozšířen o tzv. CF parameter setting, který specifikuje parametry PCF. Navíc vysílání beaconu je zde podstané aby stanice mohly určit na základě tohoto intervalu, kdy je contention-free period(DCF) a kdy už je contention period (PCF).
Vitalia.cz: Znáte „černý detox“? Ani to nezkoušejte

Znáte „černý detox“? Ani to nezkoušejte

Měšec.cz: Vklad na cizí účet je draze zpoplatněn (přehled)

Vklad na cizí účet je draze zpoplatněn (přehled)

Podnikatel.cz: Přehledná titulka, průvodci, responzivita

Přehledná titulka, průvodci, responzivita

Vitalia.cz: Analýza letáků: Na co lákají do prodejen?

Analýza letáků: Na co lákají do prodejen?

DigiZone.cz: Česká televize mění schéma ČT :D

Česká televize mění schéma ČT :D

120na80.cz: Popraskané rty? Některé balzámy stav zhoršují

Popraskané rty? Některé balzámy stav zhoršují

Podnikatel.cz: Na poslední chvíli šokuje vyjímkami v EET

Na poslední chvíli šokuje vyjímkami v EET

120na80.cz: Pánové, pečujte o svoje přirození a prostatu

Pánové, pečujte o svoje přirození a prostatu

Měšec.cz: Air Bank zruší TOP3 garanci a zdražuje kurzy

Air Bank zruší TOP3 garanci a zdražuje kurzy

Podnikatel.cz: K EET. Štamgast už peníze na stole nenechá

K EET. Štamgast už peníze na stole nenechá

120na80.cz: Rovnátka, která nejsou vidět

Rovnátka, která nejsou vidět

Vitalia.cz: Manželka je bio, ale na sex moc není

Manželka je bio, ale na sex moc není

Podnikatel.cz: Přivýdělek u Airbnb nebo Uberu? Čekejte kontrolu

Přivýdělek u Airbnb nebo Uberu? Čekejte kontrolu

Lupa.cz: Babiš: E-shopů se EET možná nebude týkat

Babiš: E-shopů se EET možná nebude týkat

Vitalia.cz: Tesco: Chudá rodina si koupí levné polské kuře

Tesco: Chudá rodina si koupí levné polské kuře

Vitalia.cz: Chtějí si léčit kvasinky. Lék je jen v Německu

Chtějí si léčit kvasinky. Lék je jen v Německu

Lupa.cz: UX přestává pro firmy být magie

UX přestává pro firmy být magie

Root.cz: Telegram spustil anonymní blog Telegraph

Telegram spustil anonymní blog Telegraph

Podnikatel.cz: 3, 2, 1..EET startuje. Na co nezapomenout?

3, 2, 1..EET startuje. Na co nezapomenout?

Vitalia.cz: To není kašel! Správná diagnóza zachrání život

To není kašel! Správná diagnóza zachrání život