Lehrstuhl fur Informatik IVRWTH-Aachen

Seminar

Datenkommunikation und Verteilte Systeme

Sprachubertragung in IEEE 802.11 WirelessLocal Area Networks

Joachim FriedrichMatrikelnr. 213417

Betreuer: Michael Wallbaum

13. Mai 2002

Inhaltsverzeichnis

1 Einfuhrung 2

2 Uberblick uber den IEEE 802.11 Standard 4

2.1 Netzwerktopologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2 Kanalzugriffsschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2.1 Superframe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2.2 Interframe Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2.3 Distributed Coordination Function . . . . . . . . . . . . . 6

2.2.4 Point Coordination Function . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Sprachubertragung 9

3.1 Sprachkodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.2 Probleme der Sprachubertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4 Ansatze zur Sprachubertragung in IEEE802.11 WLANs 12

4.1 Sprachubertragung ohne garantierte QoS . . . . . . . . . . . . . . 12

4.1.1 Simulationsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4.1.2 Simulationsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.2 Ansatze mit garantierten QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.2.1 Sprachubertragung mit der PCF Methode . . . . . . . . . 15

4.2.2 Adaptierte Power Save Methode . . . . . . . . . . . . . . . 17

5 Zusammenfassung 24

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1 Einfuhrung

Seit der Einfuhrung des IEEE 802.11 Wireless Local Area Network (WLAN)Standards im Jahre 1997, wachst dessen Popularitat stetig und die Einsatzgebietewerden immer vielfaltiger. Gegenuber drahtgebundenen Netzwerken machen esnicht nur die einfachere Installation und die geringen Kosten interessant, sondernauch der benutzerfreundlichere Anschluss und die vielseitigere Verwendung vonGeraten. Zum Beispiel konnten ganze Bahnhofe mit einem WLAN ausgestattetwerden, um den Kunden noch weitere Dienste, wie Internetnutzung und Online-Fahrplane anbieten zu konnen. Diese Dienste konnen dann nicht nur von wenigenBenutzern an einigen Terminals genutzt werden, sondern von allen die WLAN-fahige Gerate besitzen.

Der IEEE 802.11 Standard beinhaltet die Definition des Medium Access Con-trol (MAC) Protokolls und die Spezifizierung des Physical Layers (PHY). DasMAC Protokoll benutzt als Basis die Distributed Coordination Function, die miteinem dezentralen carrier sense multiple access with collision avoidance (CS-MA/CA) Verfahren arbeitet, welches nicht in der Lage ist Dienstgute, zum Bei-spiel, garantierte Ubertragungsraten, kontrollierte Laufzeiten, minimale Laufzeit-schwankungen oder minimale Verluste von Daten, zu unterstutzen. Um auchzukunftigen Multimedia Applikationen gerecht zu werden, wurde eine Erweite-rung der DCF im Standard integriert, die Dienstgute fur Real-Time Traffic ga-rantieren soll: die Point Coordination Function (PCF). Diese Erweiterung ist nuroptional fur die Implementierung und fand bisher keine Anwendung in den aufdem Markt erhaltlichen Systemen. Derzeit wird beim Institute of Electrical andElectronics Engineer (IEEE) an der Erweiterung 802.11e, MAC Enhancements,gearbeitet, die allen Anforderungen der Dienstgute gerecht werden soll.

Um Mitarbeitern großere Mobilitat zu ermoglichen, richten Firmen in ihrenGebauden eigenstandige Netzwerke fur die drahtlose Telefonie ein, die nur furdiesen Zweck verwendet werden konnen. Wurde ein WLAN, in Verbindung miteiner Schnittstelle zum herkommlichen Telefonnetz, diese Funktion ubernehmenkonnen, ware ein vielseitigeres Netzwerk geschaffen, dass nicht nur die Kosten furein Telefonnetz einsparen wurde, sondern auch die Kosten fur eine Telefonanlage.

Diese Arbeit untersucht verschiedene Ansatze zur Sprachubertragung, bezug-lich der Telefonie, in einem IEEE 802.11 WLAN. Bisherige wissenschaftlicheArbeiten haben erarbeitet, dass die PCF Methode zu viel Overhead beim Da-tenverkehr verursacht und definieren verschiedene Modifikationen der StandardProtokolle DCF und PCF, um Dienstgute (engl. Quality of Service (QoS)) furReal-Time Traffic garantieren zu konnen.

Zu Beginn wird ein kurzer Uberblick uber den IEEE 802.11 Standard gegebenund anschließend die elementaren Inhalte der Sprachubertragung beschrieben.Im folgenden Kapitel werden verschiedene Ansatze zur Sprachubertragung im

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WLAN vorgestellt.

Da in heutiger auf dem Markt erhaltlicher Hardware nur die DCF Metho-de fur die Datenubertragung zur Verfugung steht, wird in Abschnitt 4.1 dieSprachubertragung mit der DCF Methode untersucht und simuliert. Der ersteuntersuchte Ansatz mit garantierten QoS ist die PCF Methode. Diese Methodewird simuliert und die Ergebnisse dargestellt. Mit Hilfe eines adaptierten PowerSave Managements, wird bei dem zweiten Ansatz Real-Time-Traffic ubertragen[2]. Abschnitt 5 enthalt eine kurze Zusammenfassung sowie einen Ausblick aufneue Standards des IEEE.

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2 Uberblick uber den IEEE 802.11 Standard

In diesem Abschnitt werden Wireless LAN-Systeme basierend auf dem IEEE-Standard 802.11b vorgestellt. Dieser Standard beinhaltet die Definition einer Ka-nalzugriffsschicht (MAC) und drei physikalische (PHY) Ubertragungsverfahrenfur Funk und Infrarot.

2.1 Netzwerktopologien

Ein Basic Service Set (BSS) besteht aus einem Set von Stationen die miteinan-der kommunizieren. Eine Station, bestehend aus einem MAC und einem PHY, isteine Komponente die sich mit dem Ubertragungsmedium verbindet. Der Bereichder von einem BSS abgedeckt wird, wird Basic Service Area (BSA) genannt undkann mit zwei verschiedenen Netzwerkstrukturen aufgebaut werden; zentral unddezentral. Den Unterschied zwischen den beiden Architekturen stellt der AccessPoint (AP) dar. Innerhalb eines zentralen findet die komplette Kommunikationuber den AP statt (wodurch auch eine Kommunikation zwischen drahtlosen undverdrahteten Stationen moglich ist), wogegen innerhalb eines dezentralen Netz-werks, die Stationen direkt miteinander kommunizieren.

Abbildung 1: Netzwerkarchitekuren

2.2 Kanalzugriffsschicht

Die Kanalzugriffsschicht (Medium Access Control - MAC), beinhaltet die distri-buted coordination function (DCF) und die point coordination function (PCF).Die Hauptzugriffsmethode der Kanalzugriffsschicht ist die DCF, basierend aufcarrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA), die einenasynchronen Datentransfer auf einer Best Effort Basis ermoglicht. Da Funknetzad-apter in der Regel nicht in der Lage sind, Daten gleichzeitig zu senden und zu

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empfangen, muss jede Mobilstation vor einem Datentransfer prufen, ob das Me-dium von einer anderen Station benutzt wird. Ist dies nicht der Fall, so kanneine Mobilstation mit dem Transfer der Daten (auch MAC Service Data Unit(MSDU) genannt) beginnen.

2.2.1 Superframe

Die Datenubertragung teilt sich in zwei Teilphasen auf: die Contention Peri-od (CP) und die Contention-Free Period (CFP). Diese beiden Phasen erge-ben zusammen das so genannte Superframe, das kontinuierlich wiederholt wird.Wahrend der Contention Period arbeitet das System mit der DCF und wahrendder Contention-Free Period mit der PCF. Abbildung 2 zeigt das Superframe. Wiezu erkennen ist, wird vor jeder Contention Period ein so genanntes Beacon Framegesendet. Mit diesem Frame wird das Medium synchronisiert und die Dauer derContention-Free Period angegeben. Die Lange der Contention-Free Period kannauch Null sein, da sie nicht zwingend notwendig ist. Im Network Allocation Vec-tor (NAV) einer Station werden Informationen uber den aktuellen Modus desMediums gespeichert. Dazu gehort, ob sich das Medium in der CP oder CFPbefindet, und die Dauer dieser Perioden. Zusatzlich wird gespeichert, wann eineMobilstation exklusiven Zugriff auf das Medium hat.

Abbildung 2: Aufbau eines Superframes

2.2.2 Interframe Spaces

Um die Zugangsprioritat auf das Medium zu steuern, sind im Standard so ge-nannte Interframe Spaces (IFS) definiert. Je hoher die Prioritat eines Rahmensist, desto kurzer uberpruft eine Mobilstation das Medium, bevor es beginnt denRahmen zu senden. Die folgende Liste, die nach aufsteigender Dauer sortiert ist,benennt die IFS:

• Short Interframe Space (SIFS)

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• Point Interframe Space (PIFS)

• Distributed Interframe Space (DIFS)

• Extended Interframe Space (EIFS)

Im Standard sind zwei Basic Intervalle definiert die SIFS und die Dauer einesSlots. Die SIFS ist das kurzeste Intervall und somit das IFS mit der hochstenPrioritat. Ein Slot ist ein wenig langer. Es wird fur Ubertragungsbestatigungen(engl. Acknowledgements, ACK), sowie Antworten von Mobilstationen auf An-fragen des Access Points wahrend der PCF Methode verwendet. Dazu gehorendie Antwort Ready To Send (RTS) und Clear To Send (CTS). Die SIFS wirdauch noch zwischen eventuellen Fragmenten einer MSDU verwendet. Die PIFSnutzt der Access Point um die Contention Free Period zu initialisieren. Die Mo-bilstationen nutzen die DIFS um wahrend der Contention Period Kontrolle uberdas Medium zu erlangen. Die EIFS wird wahrend der Contention Period da-zu benutzt, bei auftretenden Rahmenprufsummenfehlern der zuletzt sendendenMobilstation zu signalisieren, ihren zuletzt gesendeten Datenrahmen erneut zusenden. Die EIFS hat die niedrigste Zugangsprioritat auf das Medium.

2.2.3 Distributed Coordination Function

Die DCF wird wahrend der CP benutzt und so die Zugriffe auf das Mediumasynchron mit dem CSMA/CA Algorithmus gesteuert. Wenn eine Station einenRahmen versenden mochte, uberpruft diese das Medium. Ist das Medium fur eineZeit großer als DIFS (oder EIFS wenn der zuvor gesendete Rahmen fehlerhaftubertragen wurde) frei erkannt worden, beginnt die Station mit dem Ubertragender Rahmen. Stellt die Station innerhalb des Intervalls DIFS fest, dass das Me-dium besetzt ist, so wird ein zufalliges Backoff-Intervall zwischen Null und einemMaximum Contention Window (CW) ermittelt. Das Backoff-Intervall wird mitjedem gescheiterten Versuch der Ubertragung um die Dauer eines Slots verkurzt.Ist das Backup-Intervall nach mehreren Versuchen abgelaufen, beginnt die Stationden Rahmen zu ubertragen. Scheitert auch dieser Versuch, d.h. bei der Ubert-ragung tritt eine Kollision auf (es wurde keine Bestatigung [Acknowledgement -ACK] empfangen), wird die Lange des Contention Windows verdoppelt und derBackoff-Countdown beginnt erneut. Diese Prozedur wird solange wiederholt bisder Rahmen erfolgreich ubertragen wurde.

2.2.4 Point Coordination Function

In der Contention-Free Period arbeitet das Netzwerk mit der Point CoordinationFunction. Wird das Medium fur eine Zeit großer als PIFS frei erkannt, beginnt dieCFP und der Access Point ubernimmt die Kontrolle uber das Medium, er agiert

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Abbildung 3: Rahmenubertragung mit der DCF Methode

als Point Coordinator (PC) und ermoglicht einen priorisierten Zugriff auf dasMedium. Wahrend der CFP werden die Stationen, die den Status CF-Pollable(d.h. die auf Abfragen antworten konnen) aufweisen, vom Access Point abge-fragt. Empfangt eine Mobilstation eine Abfrage, ubertragt diese ihre Daten nacheinem SIFS Intervall. Damit alle Stationen abgefragt werden, muss der AP eineso genannte Polling List fuhren. Bei dieser Methode kann es passieren, dass eineStation kurz vor Ende der CP beginnt einen Rahmen zu senden und dadurch denaktuellen Superframe in die Lange zieht und die folgende Contention-Free Periodverkurzt. Dieser Effekt wird

”Stretching“ genannt.

Durch ubertragen eines Beacon Rahmens, indem auch die Dauer der CFPsteht, initialisiert der AP die Contention-Free Period. Alle Stationen setzen dar-aufhin den NAV auf diesen Wert, so dass die Steuerung der PCF durch den APgarantiert ist. Danach ubernimmt der AP die Kontrolle uber das Medium undbeginnt alle Stationen der Polling List abzufragen. Empfangt eine Station einenPollrahmen vom AP, kann die Station mit der Ubertragung beginnen oder einenNullrahmen verschicken. Ein Nullrahmen signalisiert dem PC, das die Stationkeine Daten senden will. Hat der AP einen Rahmen erfolgreich empfangen, sobestatigt er dies durch Versendung eines Acknowledgement Rahmens und fragtdie nachste Station in der Polling List ab. Bevor Daten uber das Medium gesen-det werden, wird immer fur die Dauer eines SIFS uberpruft, ob das Medium freiist. Antwortet eine Station nicht auf einen Pollrahmen des AP innerhalb einesZeitrahmens PIFS, so ubergeht der AP diese Station und fahrt mit der nachstenin der Polling List fort.

Falls wenig Datenverkehr wahrend der Contention-Free Period auftritt und /oder der AP die Polling List abgearbeitet hat, beendet er die CFP durch Ubertra-gung eines CF-End Rahmens. Durch Empfang dieses Rahmens setzen alle Statio-nen innerhalb der BSS den NAV zuruck und es beginnt die CP. Das Contention-Free Repetition Intervall (CFPPeriod) ist der Kehrwert der Initialisierungsrate(CFPRate) der CFP. In Abb. 4 wird ein Beispiel fur die Rahmenubertragung mit

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Abbildung 4: Rahmenubertragung mit der PCF Methode

vier Usern dargestellt.

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3 Sprachubertragung

In den meisten Telekommunikationsnetzen wird heutzutage die Sprache codiertund uber ein Netzwerk ubertragen. Die Sprachkodierung ist der Prozess, bei demdie Wellenform der Sprache, in eine Abfolge von Nullen und Einsen umgewandeltwird. Bei der Sprachubertragung muss unterschieden werden, ob es sich um in-teraktive, d.h. es soll ein Austausch zwischen den Gesprachspartnern stattfinden,Kommunikation handelt oder um einen Streaming Prozess, bei dem nur in eineRichtung Daten ubertragen werden mussen. In einem IP Netzwerk kann mit demRTP/UDP/IP Protokoll Sprache ubertragen werden. RTP steht fur Real-TimeTransport Protokoll und bietet einige Erweiterungen fur Dienstgute, die das UserDatagram Protocoll (UDP) nicht bietet.

3.1 Sprachkodierung

Damit bei der Sprachubertragung moglichst wenige Daten ubertragen werdenmussen, wird die Sprache vor der Ubertragung kodiert. Im Folgenden werden diewesentlichen Merkmale der Sprachkodierung hinsichtlich der Datenubertragungvorgestellt.

Bitrate

Die Bitrate ist das wesentlichste Merkmal eines Sprach-Codecs. Sie gibt an, wie-viele Bits fur das kodierte Sprachsignal pro Sekunde benotigt werden. Die Bitrateergibt sich aus der Rahmengroße (die Lange des bearbeiteten Intervalls) und derfur die Kodierung des Rahmens benotigte Bitanzahl. Zum Beispiel arbeitet derCodec G.729 mit einer Rahmengroße von 10ms und einer Nettobitrate von 8kBit/s, d.h. 80 Bit/Rahmen. Setzt man voraus, dass pro Datenpaket ein Rahmenubertragen wird, so ergibt sich bei einer Ubertragung mit RTP (96 Bit FixedHeader) + UDP (64 Bit Header) + IP (160 Bit Header) eine Paketgroße von 400Bit/Rahmen oder 40kBit/s (ohne Headerkomprimierung).

Voice Activity Detection

Voice Activity Detection (VAD) stellt die Entscheidung dar, ob das Eingangs-signal Sprache oder Ruhe darstellt. Die Entscheidung wird nach Analyse mehre-rer Parameter des Eingangssignals getroffen. Zur Entscheidungsfindung wird deraktuelle Rahmen plus zwei Folgerahmen betrachtet. Die Dauer der Vorausschauwird Lookahead genannt.

Subjektive Sprachqualitat

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Die Sprachqualitat ist ein entscheidendes Attribut eines Sprach-Codecs. Da es bis-lang keine anerkannten objektiven Kriterien zur Messung der Sprachqualitat gibt,beschrankt man sich auf die subjektive Beurteilung durch untrainierte Zuhorer.Ein Maß hierfur ist der mean opinion score (MOS), der durch eine Zahl zwischen1 (unacceptable quality) und 5 (excellent quality) dargestellt wird. Ein Wert uber4 wird als gute Qualitat bezeichnet und ein Wert uber 3,5 als akzeptable Qua-litat. Der Codec G.711, der auch als PCM (Puls Code Modulation) bekannt istund in herkommlichen Telefonnetzen benutzt wird, hat einen MOS Wert von 4,3.Der GSM Full Rate (RPE LTP) Standard, der in den deutschen Mobilfunknetzenbenutzt wird, arbeitet mit einer Bitrate von 13 kBit/s und hat einen MOS Wertvon 3,7.

Komplexitat

Die Zeit- und Platzkomplexitat eines Codecs bestimmen, welche Hardware zurKodierung benotigt wird. Wesentlich ist die Fahigkeit, dass in Echtzeit Sprachekodiert und dekodiert werden kann, da sonst keine naturliche Kommunikationmoglich ist.

Attribute G.711 G.723.1 G.729 G.729 Annex ABitrate 64 kBit/s 5.3 und 6.4 kbit/s 8 kbit/s 8 kbit/s

DelayRahmengroße 0,125 ms 30 ms 10 ms 10 msLookahead 0 ms 7,5 ms 5 ms 5 msCodec-Delay << 1 ms 67,5 ms 25 ms 25 ms

SprachqualitatMOS 4,3 4,05 4,1 4,1

KomplexitatMIPS 0 16 20 10,5

Tabelle 1: Tabelle wichtiger ITU-Sprach-Codecs

3.2 Probleme der Sprachubertragung

Wird kodierte Sprache uber ein paketvermittelndes Netz ubertragen, entstehenProbleme die im Weiteren kurz vorgestellt werden.

Verzogerung

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Mit Verzogerung wird die Zeit beschrieben, die von der Erzeugung des Sprachsi-gnals beim Sender bis zur Wiedergabe des Sprachsignals beim Empfanger vergeht.Eine Quelle ist die codec-bedingte Verzogerung, die sich aus der Segmentierungbzw. dem Lookahead und der Kodierung auf der Senderseite und der Dekodierungauf der Empfangerseite ergibt. Eine weitere Quelle stellt die Netzwerkubertragungdar. Die International Telecommunication Union (ITU) hat nach Wahrnehmungs-studien in ihrer Empfehlung G.11 festgestellt, dass Round-Trip-Delays unterhalbvon 300 ms praktisch nicht wahrgenommen werden. Bei Verzogerungen zwischen300 ms und 500 ms wird von einem Verlust der Kommunikationseffizienz von 20 -30% gesprochen. Bei Delayzeiten zwischen 600 ms und 1200 ms wiesen 34 - 45%der Testpersonen die Verbindung als nicht akzeptabel zuruck. Daraus folgt, dassder Delay einen Wert 300 ms nicht uberschreiten sollte.

Jitter

Da jedes Paket im Internet unterschiedlich geroutet werden kann, treten wahr-scheinlich unterschiedliche Routingzeiten pro Paket auf. Dies bedeutet, dass jedesPaket einen unterschiedlichen Delay erfahrt. Delay-Jitter bezeichnet die dadurchentstehende Verzerrung der ursprunglichen Timing-Sequenz beim Empfanger.Mittels eines Puffers muss auf der Empfangerseite dieser beseitigt werden, wo-durch zusatzliche Pufferzeiten entstehen.

Paketverlust

Paketverlust kann ein weiteres Problem darstellen, wenn fur die Datenubertra-gung ein Protokoll verwendet wird, das die korrekte Ubertragung eines Paketesgarantiert. Dies kann bei hohen Paketverlustraten zu einem zusatzlichen Delayfuhren. Daher wird fur die Ubertragung von Echtzeitdaten meist ein unsiche-res Protokoll wie RTP/UDP/IP gewahlt. Durch diese gewahrten Paketverlusteentstehen Qualitatsverluste, die bis zu einer Paketverlustgrenze, je nach Codeczwischen 1% und 3%, vernachlassigt werden konnen. Das User Datagram Proto-koll beinhaltet im Gegensatz zum Transmission Control Protokoll (TCP) keineMechanismen fur die Vermeidung von Paketverlust. Auch nicht das Real-TimeTransport Protokoll, es liefert lediglich den Programmen weitere Detailinforma-tionen, wie z.B. den Zeitpunkt der Codierung eines Sprachpakets, sodass die Pro-gramme selbst entscheiden konnen, welche Maßnahmen fur die Datenubertragungdurchgefuhrt werden mussen.

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4 Ansatze zur Sprachubertragung in IEEE

802.11 WLANs

Nachdem die Probleme der Sprachubertragung vorgestellt wurden, werden imFolgenden verschiedene Ansatze zur Sprachubertragung in IEEE 802.11 WLANsdiskutiert. Im Standard wurde die PCF Methode definiert um verschiedene QoSfur den Transfer von Real-Time Daten zu gewahrleisten. Da heutige Gerate nurdie DCF Methode, die keine Quality of Service bietet, unterstutzen, ist auch dieseGegenstand der Untersuchung. Kopsel, Ebert und Wolisz haben sich mit dieserThematik auseinandergesetzt und festgestellt, dass fur geringen Datenverkehr dieDCF-Methode durchaus fur die Sprachubertragung herangezogen werden kann[5].

Weitere Literatur liefert verschiedene Ansatze womit in einem IEEE 802.11WLAN die Sprache ubertragen werden soll. Sobrinho und Krishnakumar behaup-ten, das PCF Methode inadaquate Leistung bietet und stellen eine erweiterteDCF-Methode zur Sprachubertragung vor [3]. Kospel und Wolisz widersprechendem und untersuchen ebenso wie Veeraraghavan, Cooker und Moors die Moglich-keiten, welche die PCF Methode bietet. Ein weiterer sehr interessanter Ansatz istdie Modifikation des Power Managements, das Stationen erlaubt in einen PowerSave Modus (PSM) umzuschalten, bei dem der Sender und Empfanger ausge-schaltet werden. Ist eine Mobilstation im PSM, so

”wacht“ diese in regelmaßigen

Abstanden auf, um Daten abzufragen.

4.1 Sprachubertragung ohne garantierte QoS

Da in heutiger Hardware nur die Distributed Coordination Function umgesetztist, werden deren Moglichkeiten zur Sprachubertragung untersucht. Das gewahlteSimulationsmodell, ist wie folgt aufgebaut.

4.1.1 Simulationsmodell

Als Grundlage fur die Simulation wurde eine Wireless Zelle gewahlt die 15 Statio-nen und einen Access Point umfasst. Das Ubertragungssystem arbeitet mit denBandbreiten 2 und 11 MBit/s.

Der Datenverkehr wird durch 15% Real-Time und 85% Best-Effort Trafficreprasentiert. Ein Two-State-Markov Modell simuliert 64 kBit/s PCM (G.711)kodierte Audiodaten mit Talkspurts. Die AN/AUS Zeiten wurden wie folgt defi-niert: λTALK = 1, 35 ms und λSILENCE = 1, 15 ms. Die wahrend eines Talkspurtsgenerierten Pakete werden in einer Ubertragungsliste gespeichert und haben einemaximale Gultigkeitsdauer von 250 ms. Wird diese Grenze uberschritten, wirdein Paket aus der Liste geloscht.

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4.1.2 Simulationsergebnisse

Arbeitet das Simulationsmodell im DCF Modus ergibt sich eine durchschnittlichePaketwartezeit von 10 ms bei 2 MBit/s (3 ms bei 11 MBit/s) und weißt einesteigende Tendenz bei niedriger Netzlast auf. Steigt die Netzlast jedoch uber 60%(75% bei 11 MBit/s) steigt die Paketwartezeit exponentiell an. Im PCF Modusliegt bei geringer Netzlast die Paketwartezeit etwas uber der im DCF Modus,bleiben aber konstant niedrig bis zu einer Netzlast von 80%. Abbildung 5 gibtdiese Ergebnisse grafisch wieder (“Goodput

”steht fur ubertragene Daten).

Abbildung 5: Vergleich der Paketwartezeiten von DCF und PCF

Desweiteren ergab die Simulation, dass ein maximaler Durchsatz von 83% derBandbreite (bei 2 und 11MBit/s) im DCF Modus erreicht werden kann, wahrendder PCF Modus 89% bzw. 87% erreichen kann. Der Schnittpunkt der beiden Gra-phen zeigt an, bei welcher Netzlast ein Wechsel der Modi eine Leistungssteigerungbringen wurde. Das Ergebnis zeigt, dass bei Netzlasten ≥ 66% der PCF Modusgewahlt werden sollte um die Paketwartezeiten moglichst gering zu halten. DieserSchnittpunkt ist auch noch von der Anzahl der Stationen in der Zelle abhangig.Wie Abbildung 6 zeigt, sinkt diese prozentuale Grenze mit steigender Anzahlder Stationen. Der Grund hierfur liegt in der sinkenden Effizienz des CSMA/CAAlgorithmus bei steigender Anzahl von Stationen.

Diese Ergebnisse haben gezeigt, dass beide Modi fur die Sprachubertragunggeeignet sind. Damit die maximale Anzahl von Gesprachen uber ein IEEE 802.11WLAN ermittelt werden kann, mussen noch einige QoS Anforderungen erfulltsein. Die Sprache wird mit einer konstanten Bitrate kodiert und die entstehendenPakete haben eine maximale Lebensdauer von 250ms. In einer FIFO Schlan-ge werden maximal 12 Pakete zwischengespeichert, falls das Medium belegt ist.Außerdem mussen mindestens 95% aller Pakete innerhalb der maximalen Le-

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Abbildung 6: Optimaler Modiwechsel in Abhangigkeit der Stationenanzahl

bensdauer erfolgreich ubertragen werden. Unter diesen Voraussetzungen ist einemaximale Anzahl von 12 Gesprachen, unter Verwendung der DCF, moglich.

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4.2 Ansatze mit garantierten QoS

Sprachubertragung ist, wie im obigen Abschnitt bewiesen wurde, mit heutigenGeraten zwar moglich, doch es kann keine Dienstgute garantiert werden. UmSprachubertragung garantieren zu konnen, mussen andere Methoden angewendetwerden. Zwei verschiedene Ansatze werden in den nachsten beiden Abschnittenvorgestellt.

4.2.1 Sprachubertragung mit der PCF Methode

Die in Abschnitt 2.2.4 beschriebene Point Coordination Function wird naher un-tersucht und mit einem Simulationsmodell die kapazitiven Moglichkeiten bzw. dieDelay Zeiten bei einer Sprachubertragung berechnet. Das simulierte Netzwerk istwie folgt aufgebaut.

Architektur des Simulationsnetzwerks

Benutzer eines WLANs sollen in der Lage sein mit Festnetz-, Mobil- und mit In-ternettelefonbenutzern zu kommunizieren. Damit dies gewahrleistet werden kann,wird die Netzwerkarchitektur aus Abbildung 7 gewahlt.

Abbildung 7: Netzwerk Architektur

Ein Access Point ist nur mit zwei Schnittstellen ausgerustet, einer 802.11 undeiner Ethernet Schnittstelle. Die letztere unterstutzt keinen ausreichenden Quali-ty of Service Support und ist deshalb nicht brauchbar fur die Sprachubertragung.Aus diesem Grund wird die PCF Methode des 802.11 Standards zur Ubertragungvon Real-Time-Traffic zwischen dem AP und einem Voice Gateway genutzt. DasGateway unterstutzt das herkommliche Telefonnetz (Public Switched TelephoneNetwork - PSTN), Mobilfunknetze (Asynchronous Transfer Mode - ATM) unddas Internet (VoiceOverIP). Das Gateway konvertiert die Daten des 802.11 Netz-werks in die jeweiligen Protokolle.

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Parametrisierung der Simulation

Die verschiedenen Langen der einzelnen Intervalle zur Prioritatssteuerung, so-wie die Paketgroßen der zu ubertragenden Daten konnen variiert werden undso unterschiedliche Ergebnisse erreicht werden. Hier wurde das Modell aus [1]gewahlt, die die Standard PCF Methode nutzen um Sprache zu ubertragen. EineErganzung die vorgenommen werden musste, war die Definition einer Polling Li-ste, da diese im Standard zwar benutzt wird, der Standard aber keine Definitionderen Struktur enthalt. Desweiteren wurden zwei Modelle fur die Simulierung derSprache bei der Kodierung mit variabler (mit statistischem Multiplexing und dieRuhephase wird fur anderen Datenverkehr genutzt) Bitrate verwendet: Brady’sModell [11] und May und Zebo’s Modell [12]. Die unterschiedlichen Langen derAN/AUS Intervalle die in den Modellen benutzt werden, sind in Tabelle refmo-deltab gelistet.

Modell AN Intervall AUS IntervallBrady 1 sek 1,35 sek

May und Zebo 352 ms 650 ms

Tabelle 2: Sprachubertragungskapazitat eines 2 und 11MBit/s IEEE 802.11WLAN mit der PCF Methode

Ergebnisse

Tabelle 3 gibt die maximale Anzahl von Gesprachen wieder, die mit den Band-breiten 2 und 11 MBit/s mit der PCF Methode erreicht werden konnen. N stehtfur die maximale Anzahl und die Kurzel CBR und VBR fur die verschiedenenArten der Kodierung. CBR steht fur eine konstante Bitrate von 8,5 kBit/s undVBR fur eine variable Bitrate; die genaue Berechnung kann in [1] nachgelesenwerden.

Lange des 2 MBit/s 11 MBit/sSuperframes NCBR NV BR (B) NV BR (MZ) NCBR NV BR (B) NV BR (MZ)

75 ms 12 22 27 22 41 5190 ms 14 26 32 27 52 65

Tabelle 3: Sprachubertragungskapazitat eines 2 und 11MBit/s IEEE 802.11WLAN mit der PCF Methode

Zur Bestimmung der Verzogerungszeiten ist die Position der GesprachspartnerG1 und G2 eines Gesprachs G in der Polling-Liste von entscheidender Bedeutung.Der einfachste Fall ist, dass bei einem neuen Gesprach die beiden Gesprachspart-

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ner direkt hintereinander in die Polling-Liste eingetragen werden. Da die Polling-Liste sequentiell abgearbeitet wird, werden die Packete von G1 nach G2 geringereVerzogerung erfahren, als die Pakete von G2 nach G1. Bei einer Superframe Großevon 90 ms wurde ein totaler Delay von 121 ms und 303 ms fur die RichtungenG1 → G2 und G2 → G1 errechnet. Diese Werte beziehen sich auf Sprachpaketein einem 802.11 WLAN mit einer Bandbreite von 11 MBit/s.

4.2.2 Adaptierte Power Save Methode

Der zweite Ansatz der untersucht wird um Sprache in einem WLAN zu ubertra-gen. Dieser basiert nicht auf dem Standard, sondern ist eine modifizierter PowerManagement Mechanismus um Dienstgute garantieren zu konnen.

Grundlagen

Der Hauptverwendungszweck eines WLANs ist die Vernetzung von Mobilstatio-

Abbildung 8: Datenubertragung im Power Save Modus

nen, die typischerweise mit Akkus betrieben werden. Aus diesem Grund wurde eineffizienter Energieverbrauch beim Senden und Empfangen von Daten beim MACProtokoll berucksichtigt und im IEEE 802.11 Standard eine weitere Funktion defi-niert, die den Power Save (PS) Modus von Mobilstationen unterstutzt. Der PowerManagement Mechanismus ist der komplizierteste Teil des IEEE 802.11 Stan-dards. Der Access Point ubertragt nicht willkurlich Rahmen fur Mobilstationendie sich im PS Modus befinden, sondern legt die Rahmen in einem Zwischenspei-cher ab und fragt die entsprechenden Stationen mit einem vorgesehenen BeaconRahmen ab. Die Stationen die sich in der PS Mode befinden, uberprufen dasMedium periodisch auf ubertragene Beacons vom AP. Erhalt eine Mobilstationein Beacon mit dem Hinweis, dass fur die Station Daten vorliegen, fordert es vomAP die Rahmenubertragung an. Abbildung 8 zeigt den Ablauf und Systematikdes Power Save Modus.

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Alle Stationen fur die Daten im AP zwischengespeichert sind, werden in derso genannten traffic indication map (TIM) gelistet. Jedes Beacon das vom APerzeugt wird enthalt diese TIM, die wiederum folgende Informationen beinhaltet:

• DTIM Count

• DTIM Period

• Bitmap Control

• Partial Virtual Bitmap

Hat DTIM Count einen Wert von 0, so besagt dies, dass die aktuelle TIM ei-ne Delivery TIM (DTIM) ist. Die DTIM wird fur das Versenden von Rahmenverwendet, deren Intervalllange ein Vielfaches des Beacon Intervalls (oder TIMIntervall) ist. Die DTIM Period benennt die Anzahl von TIM Intervallen zwi-schen erfolgreichen DTIMs. Im IEEE 802.11 Standard basiert das TIM Intervallauf der time unit (TU) die 1024 µs lang ist. Ein Traffic-Indication Virtual Bitmapbesteht aus 2008 Bits, denen jeweils eine Nummer n zugeordnet ist. Das Bit mitder Nummer n hat den Wert 0, wenn im AP keine Rahmen fur die Station mitder Association ID (AID) gleich n, gespeichert sind. Sind Rahmen gespeichert,so hat das Bit den Wert 1. Die AID reprasentiert die ID der Mobilstation undhat eine Große von zwei Byte.

Beschreibung des Protokolls

Bei diesem Protokoll werden Benutzer (Voice User), die Sprache ubertragen wol-len, als Mobilstationen behandelt, die sich im Power Save Modus befinden. Diesist moglich, da der Access Point die Beacons periodisch verschickt und die AI-Ds der Stationen in einer seriellen TIM gespeichert werden. Voice User konnendeshalb nach jeder TIM Rahmen ubertragen.

Sprachubertragung gleicht einem AN/AUS Prozess, bei dem die Benutzer Re-den oder Schweigen. Fur eine effiziente Nutzung der Wireless Bandbreite werdennur Pakete wahrend des Redens erzeugt. Damit der Access Point in der Lageist, Voice Usern Ubertragungszeit fur deren Up-Link zuzuteilen, muss eine Ta-belle mit den Aktivitaten, mindestens AID und Status, der User gefuhrt werden.Des Weiteren wird eine Real Time Traffic Indication Map (RTIM) definiert. DieRTIM ist eine Erweiterung der TIM und dargestellt in Abbildung 9.

Befindet sich ein User im Sprachmodus so wird seine AID in das Partial VirtualBitmap Feld eingetragen, die mit einem Beacon an alle Mobilstationen innerhalbder Reichweite des AP’s ubertragen wird. Das Time Shift Feld wird benutzt, umdie erwartete Ubertragungszeit von Mobilstationen, deren AID in dem PartialVirtual Bitmap Feld gespeichert ist, zu speichern. Des Weiteren wird in jedem Be-acon ein so genannter Zeitstempel ubertragen, der von den Mobilstationen fur die

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Zeitsynchronisation benutzt wird. Das erste Time Shift Feld gibt die Zeitspannezwischen diesem Zeitstempel und dem eingeplanten Zeitpunkt der Sprachubert-ragung des ersten Voice Users (oder einer Mobilstation im PS Modus die an ersterStelle steht) an. Die nachfolgenden Time Shift Felder geben die Zeitspanne zwi-schen zwei geplanten Datenubertragungen an, dies kann sich auf Voice User oderauf PS Modus User beziehen. Alle Mobilstationen deren AID in dem Partial Vir-tual Bitmap Feld gespeichert ist, erhalten, in Abhangigkeit von der Reihenfolgeder AID’s, geplante Zeitpunkte zur Ubertragung ihrer Sprachpakete.

Die angehangten Time Shift Felder werden zur Minderung der Probleme mitversteckten Terminals 1 benutzt, sie bieten außerdem die Moglichkeit Real-Time-Traffic mit variabler Paketgroße zu realisieren. Die unterschiedlichen Paketgroßenentstehen durch den Stretching Effekt, der in Abschnitt 2.2 erlautert wurde. Abdem geplanten Zeitpunkt uberwacht die Station kontinuierlich das Medium undubertragt ein Sprachpaket, wenn das Medium uber eine Dauer von SIFS untatigist. Abbildung 10 zeigt ein RTIM Zeitdiagramm. Die RTIM Intervalle sind Viel-fache der TIM Intervalle und haben eine Lange von 120 Time Units. Wurde einRTIM Beacon ubertragen, so ubertragen die UP-Link Benutzer ihre Daten inAbhangigkeit ihrer AID. Die Benutzer die sich in der PS-Mode befinden, ubert-ragen ebenfalls ihre PS-Poll Rahmen. Der Down-Link Datenverkehr, der vomAP gesteuert wird, startet nachdem die Stationen ihre UP-Link Daten gesendethaben.

Im UP-Link Datenverkehr wird ein zusatzliches Bit im Rahmen Kontroll Felddes MAC Headers verwendet, um den AP mitzuteilen, dass die Station noch wei-tere Pakete verschicken muss. Empfangt der AP solch ein Bit, weißt er der Stationmit der nachsten RTIM, eine bestimmte Zeit zur Ubertragung zu. Geht ein User

1In einem BSS konnen zwei Stationen im Funkbereich eines Access Points liegen, nicht aberdie eine Station im Funkbereich der anderen. So kann es passieren, dass zwei Stationen dasMedium als frei erkennen, es aber im Empfangsbereich des AP zu einer Kollision kommt. ZurVermeidung solcher versteckten Terminals, sind im Standard die beiden Rahmen RTS und CTSdefiniert.

Abbildung 9: Aufbau einer RTIM

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vom Schweigen uber ins Reden, muss die Station dem AP mitteilen, dass die AIDder Station in der nachsten RTIM gelistet sein muss. Im Falle von Paketverlustenwird der AP der Station mit den Verlusten keine weitere Bandbreite innerhalb derRTIM zur Verfugung stellen. Bemerkt die Station, dass ihre AID nicht mehr inder RTIM gespeichert ist, weiß sie, dass ihre Ubertragung fehl schlug und erneutein Zugriff auf das Medium angefordert werden muss. Die Anforderung wurdemit folgender Strategie realisiert:

Strategie: Nach dem Down-Link Datenverkehr wird mit einem Mini-ContentionWindow die Sprachubertragung angefordert. In diesem Fall wird der Wert desNAV auf das Ende des Mini-Contention Windows gesetzt und ein Time-ShiftFeld wird an das Ende der RTIM angehangt, um die Startzeit des Mini Conten-tion Windows mitzuteilen.

Abbildung 10: RTIM Zeitdiagramm

Ein Anforderungspaket unterscheidet sich nicht von einem Sprachpaket, nachErhalt verschickt der AP ein ACK um der Station den Erhalt mitzuteilen.

Simulationsergebnisse

Als Simulationsmodell wurde ein WLAN mit einer Bandbreite von 1 MBit/sgewahlt.

Um die Leistungsfahigkeit dieser modifizierten DCF Methode beurteilen zukonnen, ist in Abbildung 11 das Verhalten der modifizierten DCF fur unterschied-lich viele Benutzer, beim Transport von asynchronen Daten dargestellt. In denDiagrammen stellt die X-Achse die normalisierte Bandbreite dar. Es wird deut-lich, dass eine maximal 75% Auslastung der Bandbreite erreicht werden kann,dessen Ursache in dem Header Overhead des MAC Protokolls zu finden ist. Dierechte Seite der Abbildung 11 zeigt die Delayzeiten fur asynchronen Datentrans-fer. Beide Diagramme zeigen, dass die DCF Methode gut unter geringer Netzlastarbeitet.

Nutzen nun auch Voice User das WLAN, so wird eine gewisse Kapazitat derBandbreite fur die Sprachubertragung belegt, da durch den beschriebenen An-satz hohere Prioritaten fur Sprachpakete zugesichert sind. Abbildung 12 zeigt

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nun das Verhalten des Ansatzes unter Berucksichtigung von Sprachubertragungim WLAN. Hier ist zu erkennen, dass die maximale Datendurchsatz fur asyn-chrone Daten mit steigender Anzahl von Voice Usern sinkt. Ebenso steigen dieDelayzeiten.

Die Delayzeiten fur Real-Time Traffic werden in Abbildung 13 dargestellt. Wiehier zu erkennen ist, sind die Delayzeiten der Sprachpakete nur von der Anzahlder Voice User abhangig und nicht von kapazitiven Auslastung der Bandbreite.Selbst bei 20 Usern liegt die Verzogerung mit 130 ms, noch deutlich unter dengeforderten 200 ms fur eine gute Sprachqualitat.

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Abbildung 11: Datentransfer und Delayzeiten fur asynchrone Daten

Abbildung 12: Datentransfer und Delayzeiten fur asynchrone Daten mit VoiceUsern

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Abbildung 13: Delayzeiten fur Real-Time Traffic

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5 Zusammenfassung

Diese Arbeit setzte sich mit den verschiedenen Ansatzen der Sprachubertra-gung in einem IEEE 802.11 WLAN auseinander. Nach einem kurzen Uberblickuber den IEEE 802.11 WLAN Standard, wurden die wesentlichen Merkmale derSprachubertragung aufgefuhrt.

Im Kapitel 4 wurden verschiedene Ansatze fur die Sprachubertragung vorge-stellt. Einige dieser Ansatze modifizieren den bisherigen Standard um Qualityof Service zu garantieren. Wird in einem nicht modifizierten IEEE 802.11 Spra-che ubertragen, ohne garantierte QoS, funktioniert das bis zu einer 66%-igenAuslastung der Bandbreite. Wird diese uberschritten, steigen die Delay Zeitenexponentiell an und es wird nur noch eine inakzeptable Sprachqualitat erreicht.So konnen in einem 2 MBit/s WLAN mit der DCF Methode maximal 12 Ge-sprache gleichzeitig ubertragen werden, jedoch ohne garantierte Dienstgute. DieUntersuchung der PCF Methode zeigte, das mit einer guten Parametrisierungdeutlich mehr Gesprache moglich sind, und dies mit garantierter Dienstgute. Diemaximale Gesprachsanzahl liegt bei 32, wenn ein Codec mit variabler Bitrategewahlt wird. Bei einer Bandbreite von 11 MBit/s wachst diese Zahl auf 65 Ge-sprache an. Die adaptierte Power Save Methode ist ein sehr interessanter Ansatzzur Sprachubertragung und bietet sehr gute QoS. Und da in einem 1 MBit/sproblemlos 20 User bedient werden konnen und man dies in Relation zu einem 2MBit/s Netzwerk stellt, ist auch die mogliche Kapazitat sehr bemerkenswert.

Nicht nur die PCF Methode ist geeignet Sprache zu ubertragen, sondern auchdie adaptierte Power Save Methode, die ein sehr interessanter Ansatz ist. Daaber keine dieser Methoden in momentaner Hardware implementiert ist, sind dieErgebnisse der Task Group e des IEEE, die an dem 802.11e MAC EnhancementsStandard arbeitet, abzuwarten. Ziel der Task Group e ist die Erweiterung des802.11 Standards um verbesserte Quality of Service. Des Weiteren sollen die Ef-fizienz der Distributed Coordination Function und der Point Coordination Func-tion angehoben werden. Die ursprunglich geplanten Erweiterungen der Security-und Authentifierungsmechanismen wurden in die Task Group i verlagert.

Neue Verfahren des IEEE 802.11e sind die zentral koordinierte Hybrid Coor-dination Function (HCF) und die darin enthaltene Enhanced DCF (EDCF).Mit Hilfe der HCF vergibt eine Funktstation Kapazitaten dediziert und hat dieMoglichkeit, den Funkkanal zu beliebigen Zeiten zu belegen. Die EDCF leisteteine schwache Unterstutzung von QoS durch die Einfuhrung weiterer Prioritaten(die durch bis zu acht Traffic Categories (TC) bestimmt werden) mittels unter-schiedlicher Fenstergroßen im CSMA/CA.

Dieser neue IEEE 802.11e Standard wird den Anforderungen von LAN Appli-kationen nach QoS gerecht werden und in Kombination mit den Verbesserungenaus 802.11a und 802.11b die Gesamtleistung erhohen. Sprach-, Audio- und Vi-

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deoubertragung und Videokonferenzen werden durch diesen Standard in einemIEEE 802.11 WLAN moglich sein.

In Zukunft wird der WLAN Bereich noch mehr an Bedeutung gewinnen, selbstjetzt sind am Markt Telefone fur den Einsatz in WLANs erhaltlich.

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