IEEE 802.11e / WLAN mit Quality of Service

In Standard IEEE 802.11e sind Quality-of-Service-Verfahren für WLANs spezifiziert. Dieser Standard wurde notwendig, weil Audio- und Video-Anwendungen häufig eine garantierte Übertragungsrate benötigen.
In einem drahtlosen Netzwerk sind die Übertragungsbedingungen nicht so stabil, wie in einem Kabelnetzwerk. Man kann allerdings die systembedingten negativen Einflüsse so weit minimiert, dass optimierte Übertragungseigenschaften möglich sind. Gegen äußere Einflüsse auf die Funksignale kann man jedoch kaum etwas tun.

WMM - Wi-Fi Multimedia

Weil die Standardisierung von IEEE 802.11e nicht schnell genug voran kam, entschied sich die Wi-Fi Alliance (WFA) schon im Jahr 2004 Teile von IEEE 802.11e für eine eigene Spezifikation mit der Bezeichnung Wi-Fi Multimedia (WMM) zu übernehmen.

Welche Verbesserungen bringt IEEE 802.11e für WLANs?

  • Quality-of-Service-Verfahren
  • verbessertes Zugriffsverfahren
  • effizientere Bandbreitennutzung
  • Priorisierung von Datenpaketen

IEEE 802.11e sieht neben Quality of Service ein paar Detailverbesserungen vor, die dem Datendurchsatz zugute kommt.

Welche Anwendungen brauchen Quality of Service?

  • Voice over IP (VoIP)
  • Audio-Streaming
  • Video-Streaming

Die Gemeinsamkeit dieser Anwendungen ist der hohe Bandbreitenbedarf bzw. eine kurze Verzögerungszeit zwischen den Datenpaketen. Insbesondere bei Telefonaten kommt es darauf an, dass die Daten rechtzeitig ankommen, da sonst die Übertragung ins Stocken kommt oder ganz abbricht.

Priorisierung bei IEEE 802.11e

Die Priorisierung ist eigentlich eine Steuerung, die bestimmt, wer auf das Medium wann zugreifen darf. Da sich alle Teilnehmer das Medium teilen müssen, wird die Priorisierung über unterschiedlich lange Wartezeiten gesteuert.
Audio-Daten haben zum Beispiel Vorrang vor Video-Daten. Danach kommen Daten von Stationen, die zu IEEE 802.11e nicht kompatibel sind. Auf diese Weise stellt IEEE 802.11e Kompatibilität zu älteren Clients her. Und danach kommt alles andere.
Die Priorität hängt von der Art der Daten ab. In welche Kategorie die Daten fallen, legt der WLAN-Treiber und die Applikation fest. Zudem müssen die oberen Schichten, zum Beispiel TCP/IP, Quality of Service aktiv anfordern. Wenn die Station die Benutzung einer höheren Priorität ankündigt, erhält sie die Sendebestätigung für eine bestimmte Zeit.

EDCF - Enhanced Distribution Coordination Function

Vereinfacht ausgedrückt ergänzt EDCF das CSMA/CA-Verfahren. Festgelegt sind bis zu 8 verschiedene Traffic Categories (TC) mit unterschiedlichen Diensteklassen, denen unterschiedliche Prioritäten zugewiesen sind. Jede TC erhält für eine bestimmte Dauer eine Zugriffsberechtigung auf das Übertragungsmedium. Je höher die Priorität, desto geringer die Wartezeit, bis die Station auf das Übertragungsmedium zugreifen darf.

EDCA - Enhanced Distributed Channel Access

EDCA kann Daten unterschiedlich priorisieren. Es unterscheidet sich nicht von DCF (Distributed Corordination Function). Dahinter steckt das Verfahren Listen-bofore-Talk, was jede WLAN-Hardware beherrscht.

Optimierung der WLAN-Frames

Übertragungsmedium - die Funkschnittstelle

Zwischen den Datenpaketen koordinieren unterschiedlich lange Wartezeiten den Zugriff auf das Funkmedium. Das DIFS (Distributed Coordination Function Interframe Space) kennzeichnet die Backoffzeit, in der eine Station das freie Funkmedium erkennen kann. Das SIFS (Short Interframe Space) kennzeichnet das ACK-Paket. Das ist das Bestätigungspaket des Empfängers für den Sender. Nach dem ACK-Paket folgt wieder ein DIFS.

DIFS, SIFS, ACK und Backoff nehmen vergleichsweise viel Zeit in Anspruch. Zeit, in der eigentlich Datenpakete übertragen werden sollten. Um diese Leerlaufzeit zu reduzieren, kennt IEEE 802.11e zwei Verfahren:

  • Contention Free Bursts, kurz Bursting
  • Block-Acknowledgement, kurz Block-ACK oder Burst-ACK

Contention Free Bursts / Bursting

Contention Free Bursts / Bursting

Der ursprüngliche WLAN-Standard sah vor, dass jede Station um jedes Frame konkurriert. Dazu musste jede Station eine zufällige Wartezeit verstreichen lassen, bevor sie senden durften. War ein Netzwerk ausgelastet, dann wurde sehr viel Sendezeit durch Wartezeit vergeudet. Um dieses Problem zu lösen, wurden Techniken eingeführt, die unterschiedliche Namen tragen, aber alle unter dem Begriff Bursting zusammengefasst werden.

  • Packet Bursting (Broadcom)
  • Nitro (GlobespanVirata, ehemals Intersil)
  • Super G bzw. Super A/G (Atheros)

Durch Bursting darf eine Station mehr als ein Frame senden, wenn sie das Senderecht bekommen hat. Die maximale Übertragungsdauer legt der Access Point fest.
Bursting verkürzt die Wartezeit zwischen den Datenpaketen. Statt den DIFS wird nach dem ACK-Paket des Empfängers sofort ein SIFS gesendet. Dieses Vorgehen ist nicht mit dem 802.11-Standard vereinbar und erfordert im gleichen WLAN Stationen, die dieses Verfahren sowohl auf der Sende-, wie auch auf der Empfangsseite beherrschen.

Block-Acknowledgement (Block-ACK) / Burst-ACK

Block-Acknowledgement (Block-ACK) / Burst-ACK

Ein weiteres strukturelles Problem des ursprünglichen WLANs war die Bestätigung jedes einzelnen Frames. Deshalb erlaubt IEEE 802.11e beim Bursting, dass eine Block-Bestätigung (Block-ACK) vom Sender angefordert werden kann.
Konkret bedeutet das, dass eine Station mehrere Frames hintereinander als Burst bzw. Block übertragen kann. Bis zu 64 Frames können zusammenhängend übertragen werden. Die Frames werden durch SIFS gekennzeichnet. Der Empfang der Frames wird vom Empfänger über ein einziges ACK-Frame bestätigt.
Während der Datenübertragung ist die Bandbreite vollständig von einer Station blockiert. Andere sendewillige Stationen müssen warten.

Direct Link

Direct Link

Eine weitere Bremse im ursprünglichen WLAN ist der Umstand, dass innerhalb eines WLANs mit Access Point ist die direkte Kommunikation zwischen zwei WLAN-Clients nicht möglich ist. Das bedeutet, jedes Frame muss zweimal übertragen werden. Einmal vom Sender zum Access Point und dann vom Access Point zum Empfänger. Das verringert den Durchsatz um mindestens die Hälfte.
Durch "Direct Link" dürfen die WLAN-Stationen die direkte Kommunikation beim Access Point anmelden. Anschließend dürfen die Stationen für eine bestimmte Zeit lang direkt Daten austauschen.
Direct Link ist im Standard IEEE 802.11e optional. Mit dieser Funktion können zwei Stationen nach Absprache mit der Basisstation direkt miteinander kommunizieren. Die Daten müssen dann nicht mehr über die Basisstation übertragen werden.

Mit IEEE 802.11z existiert eine zweite Direct-Link-Variante, die ohne einen dezidierten Access Point auskommt.

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