QoS dans les réseaux sans-fil 802.11

Les buts de la Norme 802.11e ont été dégagés lors des travaux de normalisation:
- Offrir à la couche de liaison de données des possibilités réelles de QoS
- Offrir des besoins adaptés en fonction des différents paquets, en terme de bande passante et délais de transmission
- Offrir un support confortable de la voix sur IP (VoIP) et de la vidéo (streaming, etc...)

Pour répondre à ces besoins, il est nécessaire de pouvoir associer chaque paquet Wi-Fi à une classe de trafic (Trafic Class) ou priorité d'accès (Access Class)

Deux nouveaux mécanismes de QoS naissent de ces besoins :
- EDCF (Enhanced DCF) ou EDCA qui est une amélioration de DCF
- EPCF (Enhanced PCF) ou HCCA : qui est une amélioration de PCF

EDCF améliore DCF tel qu'on le connaissait sur trois principaux axes :
- Des délais d'attente (IFS) variables selon la priorité du message, on les appelle AIFS ( Aribtration Inter Frame Space)
- La gestion des files d'attente peut être gérée selon une priorité par station
- La possibilité pour une station d'émettre plusieurs messages durant son temps de parole TXOP (Transmit Opportunity)

Principe de Fonctionnement

Le principe réside essentiellement dans la priorisation des trafics :

La priorité est gérée grâce à la valeur du champ TCI des trames ethernet 802.1Q.
De cette façon, les communications sont classées en 4 classes : VoIP, Video, Best Effort et Backoff.


     

D'après le schéma ci-dessus, on se rend compte qu'une station émettant des paquets d'une transmission VoIP attendra moins longtemps pour émettre ses données qu'une autre station qui enverrait un flux vidéo et encore moins qu'une autre qui souhaiterai transmettre des données avec une priorité par défaut.

Plus on se situe dans les files d'attente de haute priorité, plus la valeur du champ AIFS (attente avant transmission) faiblit, et plus la valeur TXOP (durée allouée de communication) augmente.

Résolution des conflits

Une fonction appelée "Admission Control" de EDCF, permet d'éviter la saturation du canal de transmission dans le cas d'une grande quantité de communications prioritaires.

Pour cela, l'état de la bande passante sur le canal de transmission est envoyée sous forme de signal "beacon" aux stations. Si le support apparaît chargé, la station patiente avant de transmettre ses données.

Le fonctionnement d'EPCF est très similaire à celui du PCF de 802.11

L'intervalle entre deux trames de "polling" est conservé et est toujours découpé en deux périodes :
- "Contention Period" (CP) : C'est la période fonctionnant sur le principe vu dans DCF et reposant sur le protocole CSMA/CA dans lequel les stations écoutent si le support est libre avant de prendre la parole.
- "Contention Free Period" (CFP) : C'est la période instaurée par PCF et libre de toute dispute.
C'est le point d'accès qui transmet à chacune des stations, tour à tour, une trame de "polling" les invitant à prendre la parole si elles le souhaitent.


    Source : CNRS Toulouse - Laboratoire ICARE


Cette fois-ci, ce mécanisme est conservé mais amélioré sur les points suivants.

- La proportion entre les périodes CP et CFP n'est plus fixée. Le point d'accès peut décider à tout moment de déclencher le mécanisme CFP pour reprendre le contrôle et l'ordonnancement des communications.
- Le point d'accès peut aussi choisir à qui il envoie en priorité les trames de "polling" de manière à assurer une transmission pioritaire des données critiques.

Résolution des conflits

Pour éviter les éventuelles congestions, chaque station émet régulièrement des signaux d'indication d'état de leur file d'attente.
Ainsi, le point d'accès peut redonner rapidement la parole à une station dont la file d'attente n'a pas été traitée depuis un moment pour éviter une trop grande perte d'efficacité.

Même si en terme de QoS, EPCF et EDCF sont les deux apports majeurs de la norme 802.11e, d'autres mécanismes peuvent eux aussi se révéler utiles pour apporter de la QoS aux réseaux sans-fil 802.11.

Block Acknowledgements (BA) :
Cette amélioration permet au contenu d'un TXOP entier d'être acquitté en une seule trame.
Cela contribue directement à une réduction de la taille de l'overhead.
On gagne donc en bande passante utilisée.

No Acknowledgement (NoAck) :
Lorsqu'on effectue de la QoS en 802.11, la classe de service des trames à envoyer peut avoir deux valeurs : QoSAck et QoSNoAck.
Dans le second cas, les trames ne sont pas acquittées par le récepteur, ce qui permet de ne pas avoir à retransmettre des données éventuellement perdues lorsqu'on utilise des applications pour lesquelles l'instant de transmission est un facteur critique.

La fonction de coordination hybride HCF intermédiaire entre DCF et PCF offre une QoS améliorée par rapport à la seule utilisation de DCF.

Le mode EDCF (ou EDCA) définit 4 catégories d'accès au canal : Voix, Video, Best Effort et enfin Backoff (faible trafic), ce qui permet une classification efficace des flux en fonction de leurs besoins en QoS.

Le mode EPCF (ou HCCA) permet un contrôle de la durée de parole et assure la régularité des transmissions.

Au final, EDCF est léger et simple à mettre en oeuvre etoffre la classification des flux par type.
Cependant, la famine peut apparaître lorsque le trafic de priorité haute devient important et régulier et les performances du réseau peuvent en pâtir.

EPCF, bien que plus complexe à mettre en oeuvre, permet de pallier au problèmes rencontrés ci-dessus et gérant précisément la QoS en fonction de chaque classe de trafic.

Au final, à l'utilisation, EPCF à prouvé sa supériorité par sa capacité à mieux gérer les flux     de type Best Effort.