Quality of Service Provisioning for Voice Application over Wlans

Aujourd'hui, les réseaux locaux sans fils WLANs (en anglais Wireless Local Area Networks) sont de plus en plus déployés en raison de leur facilité d'installation et de leur faible coûts. Le standard IEEE (en anglais Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11 définit les caractéristiques des réseaux locaux sans fil WLANs. Alors que la première norme proposée pouvait soutenir un débit de données jusqu'à 2 Mbps, dans les versions récentes de la norme 802.11, des débits de données pouvant atteindre jusqu'à 200 Mbps seront pris en charge dans les réseaux sans fil de prochaine génération. Garantir les besoins de QoS (en anglais Quality of Service) est un défi considérable pour les réseaux WLAN, en particulier pour les applications multimédia. Vu que largeur de bande disponible dans les réseaux sans fil est limitée, la bande passante supportant la QoS ne peut être facilement augmentée. Cependant, les protocoles efficaces capables de satisfaire la qualité de service doivent être conçus pour améliorer l'utilisation des ressources dans les réseaux. Le protocole de la couche MAC (en anglais Medium Access Control) affecte fondamentalement les paramètres QoS. Le contrôle d'admission est également un élément essentiel pour la qualité de service dans les réseaux locaux sans fil. Ca projet a pour objectif de modéliser et analyser la couche MAC et contrôler l'admission dans des réseaux locaux sans fil 802.11 avec infrastructure basée sur le mécanisme DCF (en anglais Distributed Coordination Function). Bien que notre objectif général est de garantir les besoins de QoS des applications multimédias sur les réseaux sans fil, nous avons répondu à plusieurs questions importantes telles que la modélisation de la couche MAC, l'évaluation de la QoS et le contrôle d'admission. La première contribution de cette recherche est de proposer un cadre analytique qui prend en compte la direction du trafic en mode infrastructure non saturé. Contrairement aux recherches antérieures, dans l'analyse proposée la probabilité de collision d'un paquet transmis par chaque station sans fil en liaison ascendante est différente de la probabilité de collision pour les paquets qui sont transmis à partir du point d'accès en liaison descendante. Ce modèle de distinction entre les modèles backoff par station en liaison ascendante et en liaison descendante est capable d'exprimer la performance MAC en termes de nombre de stations sans fil et plusieurs paramètres système tels que la taille de la fenêtre de contention, le nombre maximum d'étapes backoff, la taille du tampon à la couche MAC, ainsi que les paramètres de trafic tels que les durées de conversation, le silence et le taux d'arrivée. Contrairement aux études précédentes, nous appliquons deux groupes d'équations, un groupe est défini pour la station sans fil et l'autre pour le point d'accès.

Abstract

Wireless Local Area Networks (WLANs) are widely deployed nowadays because of their low cost and convenient implementation. The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11 series standards define the specifications for such networks. While the first proposed standard could support a data rate up to 2 Mbps, in the recent upgraded versions of the standard data rates up to 54 Mbps are achievable and up to 200 Mbps are said to be supported in next generation WLANs. An important concern in WLANs is the support of Quality of Service (QoS), specifically for multimedia applications. Because of the limited available bandwidth in wireless networks, bandwidth cannot be easily increased to support QoS. However, efficient protocols capable of providing QoS have to be designed to improve resource utilization in networks. The Medium Access Control (MAC) protocol crucially affects the QoS parameters. Admission control is also an essential element for QoS provisioning in WLANs. Our research covers mathematical modeling and analysis of the MAC layer and admission control considering Distributed Coordination Function (DCF) in infrastructure mode of IEEE 802.11-based WLANs. While our general goal is to guarantee the QoS parameters of multimedia applications over WLANs, we address several important issues such as MAC layer modeling, QoS evaluation and admission control. The first contribution of this research is to propose an analytical framework which takes into account the traffic direction in non-saturated infrastructure mode of WLANs. Unlike previous work, in the proposed analysis the collision probability of a packet transmitted by each wireless station in the uplink direction is different from the probability of collision for the packets transmitted from the access point in the downlink direction. Our model differentiates between per-station backoff models in the uplink and downlink and is capable of expressing the MAC performance in terms of several system parameters such as contention window size, maximum number of backoff stages, size of buffer at the MAC layer, traffic parameters such as talk and silent durations and arrival rate, as well as the number of wireless stations. In contrast to the previous studies, we apply two groups of equations, one group is defined for the wireless station and the other one for the access point. These equations represent the transmission probability, probability of collision and the probability of being in the busy state in terms of the number of wireless stations, the traffic arrival rate and system parameters such as the size of the contention window and maximum number of retransmissions.