IEEE 802.11e-2005

IEEE 802.11e-2005または802.11eは、 IEEE 802.11標準の承認された修正であり、メディア アクセス制御(MAC) 層への変更を通じて、無線LANアプリケーションの一連のサービス品質(QoS) 拡張機能を定義します。 ^{[1]この標準は、}無線 LAN 経由の音声やストリーミング マルチメディア など、遅延に敏感なアプリケーションにとって非常に重要であると考えられています。この修正は、公開されたIEEE 802.11-2007標準に組み込まれています。

基本的な 802.11 MAC 層は、分散調整機能 (DCF) を使用して、複数のステーション間でメディアを共有します。 (DCF) は、CSMA/CAとオプションの802.11 RTS/CTSを使用してステーション間でメディアを共有します。これにはいくつかの制限があります。

• 多くのステーションが同時に通信しようとすると、多くの衝突が発生し、利用可能な帯域幅が低下し、輻輳の崩壊につながる可能性があります。
• サービス品質 (QoS) の保証はありません。特に、高優先度トラフィックや低優先度トラフィックの概念はありません。

オリジナルの 802.11 MAC は、ポイント コーディネーション機能 (PCF) と呼ばれる別のコーディネーション機能を定義します。これは、ステーションがアクセス ポイント(AP) を介してネットワークに接続される「インフラストラクチャ」モードでのみ使用できます。このモードはオプションであり、実際に実装されている AP または Wi-Fi アダプタはごくわずかです。^[要出典] AP は、ビーコンフレームを一定間隔 (通常は 100 TUまたは 0.1024 秒ごと) で送信します。これらのビーコンフレーム間で、PCF は 2 つの期間を定義します。それは、コンテンション フリー期間 (CFP) とコンテンション期間 (CP) です。CP では、DCF が使用されます。CFP では、AP は各ステーションに 1 つずつコンテンション フリー ポール (CF-Poll) パケットを送信し、パケットを送信する権利を付与します。AP はコーディネーターです。これにより QoS をより適切に管理できますが、PCF では他の QoS システム ( 802.1pやDiffServなど) で一般的なトラフィックのクラスは定義されません。

802.11e は、新しい調整機能であるハイブリッド調整機能 (HCF) によって、DCF と PCF を強化します。HCF には、従来の 802.11 MAC で定義されているものと同様の 2 つのチャネル アクセス方法 (HCF 制御チャネル アクセス (HCCA) と拡張分散チャネル アクセス (EDCA)) があります。EDCA と HCCA はどちらもトラフィック カテゴリ (TC) を定義します。たとえば、電子メールは低優先度クラスに割り当て、Voice over Wireless LAN (VoWLAN) は高優先度クラスに割り当てることができます。

EDCA は、802.11e でサポートされているQoSメカニズムです。EDCA を使用すると、高優先度トラフィックが低優先度トラフィックよりも送信される可能性が高くなります。つまり、高優先度トラフィックのステーションは、平均して、低優先度トラフィックのステーションよりも、パケットを送信するまでの待機時間が少し短くなります。これは、高優先度パケットに短い AIFS ( Arbitration Inter-Frame Space ) を使用する CSMA/CA のバリエーションである TCMA プロトコルによって実現されます。 ^[3]正確な値は、データの送信に使用される物理層によって異なります。さらに、EDCA は、送信機会 (TXOP) と呼ばれる期間に、チャネルへの競合のないアクセスを提供します。TXOP は、ステーションが可能な限り多くのフレームを送信できる制限された時間間隔です (送信の期間が TXOP の最大期間を超えない限り)。フレームが 1 つの TXOP で送信するには大きすぎる場合は、小さなフレームに分割する必要があります。 TXOP を使用すると、従来の802.11 DCF MACで低速ステーションが過度のチャネル時間を取得する問題が軽減されます。TXOP 時間間隔が 0 の場合、単一の MAC サービス データ ユニット (MSDU) または MAC 管理プロトコル データ ユニット (MMPDU) に制限されます。

EDCA の優先度レベルはアクセス カテゴリ (AC) と呼ばれます。競合ウィンドウ (CW) は、各アクセス カテゴリで予想されるトラフィックに応じて設定できます。トラフィック量が多いカテゴリでは、より広いウィンドウが必要になります。CWmin 値と CWmax 値は、802.11e でサポートされる各物理層に対して定義されている aCWmin 値と aCWmax 値からそれぞれ計算されます。

たとえばOFDM (802.11a) やMIMO (802.11n) で使用される典型的な aCWmin=15 および aCWmax=1023 の場合、結果の値は次のようになります。

AC は、イーサネット レベルのサービス クラス (CoS) の優先レベルから直接マップされます。

QoS の主な目的は、優先度の高いデータを優先度の低いデータから保護することです。また、データを同じクラスの他のデータから保護する必要があるシナリオもあります。EDCA のアドミッション コントロールは、このような問題に対処します。AP は、ビーコンで使用可能な帯域幅を公開します。クライアントは、トラフィックを追加する前に使用可能な帯域幅を確認できます。

Wi-Fi Multimedia (WMM) は、IEEE 802.11e のサブセットである Wi-Fi Alliance 仕様です。認定 AP は、EDCA と TXOP を有効にする必要があります。802.11e のその他の拡張機能はすべてオプションです。

HCF (ハイブリッド コーディネーション機能) 制御チャネル アクセス (HCCA) は、PCF とよく似た動作をします。ただし、2 つのビーコン フレーム間の間隔が CFP と CP の 2 つの期間に分割される PCF とは対照的に、HCCA では、CP 中のほぼいつでも CFP を開始できます。この種の CFP は、802.11e では制御アクセス フェーズ (CAP) と呼ばれます。CAP は、AP がフレームをステーションに送信したり、ステーションからフレームを競合なしで受信したりするたびに AP によって開始されます。実際、CFP も CAP です。CAP 中は、AP でもあるハイブリッド コーディネータ (HC) がメディアへのアクセスを制御します。CP 中は、すべてのステーションが EDCA で機能します。PCF とのもう 1 つの違いは、トラフィック クラス (TC) とトラフィック ストリーム (TS) が定義されていることです。つまり、HC はステーションごとのキューイングに限定されず、一種のセッションごとのサービスを提供できます。また、HC は、これらのストリームまたはセッションを任意の方法で調整できます (ラウンドロビンだけではありません)。さらに、ステーションは各トラフィック クラス (TC) のキューの長さに関する情報を提供します。HC はこの情報を使用して、あるステーションを他のステーションより優先させたり、スケジュール メカニズムをより適切に調整したりできます。もう 1 つの違いは、ステーションに TXOP が与えられることです。つまり、HC によって選択された特定の期間に、ステーションは複数のパケットを連続して送信できます。CFP 中、HC はステーションが CF-Poll フレームを送信してデータを送信できるようにします。

HCCA は、一般的に最も高度な (そして複雑な) 調整機能であると考えられています。HCCA を使用すると、QoS を非常に正確に設定できます。QoS 対応ステーションは、特定の送信パラメータ (データ レート、ジッターなど) を要求する機能があり、これにより、VoIP やビデオ ストリーミングなどの高度なアプリケーションが Wi-Fi ネットワーク上でより効率的に動作できるようになります。

HCCA サポートは、802.11e AP では必須ではありません。実際、現在利用可能な AP のうち、HCCA が有効になっているものはほとんどありません (あるとしても)。^{[引用が必要]}エンド ステーションに HCCA を実装すると、チャネル アクセスに既存の DCF メカニズムが使用されます (DCF または EDCA の動作を変更する必要はありません)。ステーションは、ポーリング メッセージに応答できるだけで十分です。AP 側では、スケジューラとキューイング メカニズムが必要です。

HCCA、EDCA、TXOP に加えて、802.11e では、拡張された 802.11 MAC 層 QoS 用の追加のオプション プロトコルを指定します。

802.11e より前に利用可能だった省電力ポーリング メカニズムに加えて、802.11e では新しい省電力配信および通知メカニズムが導入されました。APSD (自動省電力配信) では、配信を開始する 2 つの方法、「スケジュールされた APSD」(S-APSD) と「スケジュールされていない APSD」(U-APSD) が提供されます。APSD を使用すると、サービス期間中にアクセス ポイントから省電力デバイスに複数のフレームをまとめて送信できます。サービス期間の終了後、デバイスは次のサービス期間まで休止状態になります。S-APSD を使用すると、省電力デバイスに認識されている事前に決定されたスケジュールに従ってサービス期間が開始されるため、アクセス ポイントはシグナリングを必要とせずにバッファリングされたトラフィックを送信できます。U-APSD を使用すると、フレームがアクセス ポイントに送信されるとサービス期間がトリガーされ、アクセス ポイントはバッファリングされたフレームを反対方向に送信できます。 U-APSD は、「フル」U-APSD または「ハイブリッド」U-APSD 形式を取ることができます。フル U-APSD では、すべてのタイプのフレームが優先度に関係なく U-APSD を使用します。ハイブリッド U-APSD では、アクセス カテゴリに応じて、U-APSD または従来の Power Save Polling メカニズムのいずれかが使用されます。S-APSD は、EDCA と HCCA の両方のチャネル アクセス メカニズムで使用できますが、U-APSD は EDCA でのみ使用できます。^{[1] [4]}

APSD は、従来の 802.11 省電力ポーリングよりも効率的な電力管理方法で、バッファリングされたフレームを AP が省電力デバイスに配信するために必要なシグナリング トラフィックと、通常はビーコン TIM の直後に送信される省電力ポーリング間の衝突率の両方を削減するため、消費電力が低くなります。S-APSD は、スケジュールされたサービス期間によって競合が削減され、アクセス ポイントと省電力デバイス間の送信がシグナリングを必要とせずに開始されるため、U-APSD よりも効率的です。U-APSD を使用する省電力デバイスは、アップリンク トラフィックがない場合、バッファリングされたトラフィックを取得するためにシグナリング フレームを生成する必要があります。これは、今日のスマートフォンに見られるオーディオ、ビデオ、またはベスト エフォート トラフィック アプリケーションの場合などです。U-APSD は、データ レートが両方向でほぼ同じであるため、追加のシグナリングが不要で、アップリンク音声フレームがダウンリンク音声フレームの送信のためのサービス期間をトリガーできるため、VoIP 電話に適しています。^[5] ハイブリッドU-APSDは、上で説明したように、一部のアクセスカテゴリで採用されている省電力ポーリングメカニズムがAPSDよりも効率が悪いため、フルU-APSDよりも効率が悪い。さまざまな省電力メカニズムの相対的な利点は、シミュレーションによって個別に確認されている。^{[6] [7]}

ブロック確認応答により、TXOP 全体を 1 つのフレームで確認応答できます。これにより、より長い TXOP が指定された場合のプロトコル オーバーヘッドが少なくなります。

QoS モードでは、送信するフレームのサービス クラスには、QosAck と QosNoAck の 2 つの値があります。QosNoAck を持つフレームは確認応答されません。これにより、時間的に非常に重要なデータの再送信を回避できます。

Direct Link Setup を使用すると、基本サービス セット内でステーション間のフレームの直接転送が可能になります。これは主に、ステーション間の転送がより一般的に使用される消費者向けに設計されています。たとえば、リビング ルームの向こう側にあるテレビにビデオをストリーミングする場合や、同じ部屋にあるワイヤレス プリンターに印刷する場合、常にすべてを AP 経由で送信する標準的な手法 (1 回ではなく 2 回の無線ホップが必要) を使用する代わりに、通信する 2 つのデバイス間で Wi-Fi フレームを直接送信する方が効率的です。また、AP が家の離れた場所にある場合は、すべてのフレームを AP に送信して戻すには、より低い伝送速度で送信する必要がある可能性があります。ただし、DLS では、より効率的な直接通信を実現するために AP の参加が必要であり、これに必要なサポートを備えている AP はほとんどありません。Tunneled Direct Link Setup は 802.11z ( TDLS ) として公開され、デバイスは AP のサポートなしで、より効率的なステーション間の直接フレーム転送を実行できます。DLS と TDLS の両方で、ステーションが同じ AP に関連付けられている必要があります。 DLS と TDLS はどちらも、基本サービス セットのメンバー間の通信の速度と効率を向上させますが、互いに近くにあるが同じ AP に関連付けられていないデバイス間の通信は容易にしません。

同じ AP に関連付けられていないデバイス間の近接通信は、Wi-Fi Directなどのテクノロジーを使用して実行できますが、これまでのところ、 Wi-Fi Direct は広く採用されていません。

マイクロソフトの仮想Wi-Fiイニシアチブは、DLSと同じ目標を達成するために設計されました。仮想Wi-Fiにより、ステーションアダプタに複数のMACアドレスを持たせることで、ゲーマーはAP経由でインターネットにアクセスしながらワイヤレス接続できるようになります。^[8]

• IEEE RevComからの承認
• 802.11e TGe ステータス (完了)
• 802.11e 修正
• QoX: それは実際何なのか