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摘要：隨著無線網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)流量與日俱增，如何保證無線局城網(wǎng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的問題也越來越突出。本文分別介紹了IEEE802.11中的MAC層協(xié)議和802.1le標(biāo)準(zhǔn)中所采納的改進(jìn)方式，通過對比分析DFC和EDCF的性能特性，指出了802．11e標(biāo)準(zhǔn)對MAC層所做的改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：wlan、802.11、802.11e、DFC、EDFC

引言

近年來,隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的不斷增加，以IEEE802.11協(xié)議為基礎(chǔ)的無線局域網(wǎng)(WLAN)的研究正逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。隨著這項(xiàng)技術(shù)的普及和其傳輸速率的不斷提高，用戶對WLAN中的視頻、音頻和VoIP等多媒體傳輸業(yè)務(wù)提出了要求。這些業(yè)務(wù)一般都是時(shí)間敏感的，WLAN要想成為無線多媒體網(wǎng)絡(luò)，就必須提供服務(wù)質(zhì)量(QoS)的保證。為此，IEEE成立了802.11e工作組負(fù)責(zé)802.11WLAN的QoS工作，其目的是通過增強(qiáng)802.11WLAN的MAC協(xié)議，擴(kuò)展對業(yè)務(wù)的QoS支持，同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)的容量和效率。

本文通過研究基于802.11DFC以及802.11eEDFC兩種協(xié)議上的業(yè)務(wù)質(zhì)量，對其建模、仿真，并分析數(shù)據(jù)結(jié)果，體現(xiàn)了802.11e標(biāo)準(zhǔn)對MAC層所做的改進(jìn)。

1IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)

1.1802.11分布協(xié)調(diào)功能DFC

IEEE802.11有兩種方式，即分布協(xié)調(diào)功能DCF(DistributedCoordinationFuntion)和點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF(PointCoordinationFuntion)。DCF是IEEE802.11最基本的媒體訪問方法，用于AdHoc和Infrastructure網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。

在DCF模式下，每個(gè)移動(dòng)終端(MT)在發(fā)送數(shù)據(jù)前要先檢測信道是否空閑。如果在一個(gè)DCF幀間間隔(DIFS)內(nèi)MT檢測到信道空閑，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)。如果檢測到信道狀態(tài)為“忙”，MT將會(huì)推遲對信道使用權(quán)的競爭，一直延遲到現(xiàn)行的傳輸結(jié)束為止。在延遲之后，該MT要經(jīng)過一個(gè)隨機(jī)退避(backof)時(shí)間重新競爭對信道的使用權(quán)。隨機(jī)退避時(shí)間的長度是一個(gè)時(shí)隙(SlotTime)的整數(shù)倍。確切地說，就是MT選擇了一個(gè)介于0和CW之間的隨機(jī)數(shù)。每個(gè)MT都維持著這樣一個(gè)競爭窗(ContentionWindow,CW)來決定本站點(diǎn)在延遲之后必須等待的時(shí)間間隔。如果MT在一個(gè)SlotTime間隔內(nèi)檢測到信道空閑，退避時(shí)間定時(shí)器將減小退避時(shí)間，退避時(shí)間定時(shí)器一歸零，MT就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。成功接收到一幀數(shù)據(jù)后，接收站點(diǎn)立刻發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀(ACK)通知發(fā)送端該幀數(shù)據(jù)發(fā)送成功。如果發(fā)送失敗，則認(rèn)為發(fā)生了沖突。在任意一次傳輸失敗后，CW的尺寸將增加1倍并啟動(dòng)一個(gè)新的隨機(jī)退避規(guī)程。該過程將會(huì)一直持續(xù)下去，直至傳輸成功或放棄本次傳輸。

1.2IEEE802.11e增強(qiáng)型分布式協(xié)調(diào)功能EDCF

IEEE802.11e提供的是IEEE802.11的MAC層增強(qiáng)機(jī)制，改善了802.11協(xié)議對于QoS的支持，因此,其MAC層功能是協(xié)議的核心。它引入了EDCF和HCF兩張機(jī)制。在802.1le中，超幀仍然有兩個(gè)部分，即一個(gè)CP和一個(gè)CFP，兩者按時(shí)間輪流交替。EDCF僅僅在CP中使用。

EDCF使用業(yè)務(wù)類別(TC)，為站點(diǎn)提供了可區(qū)分的、分布式接入信道的8個(gè)優(yōu)先級。這些優(yōu)先級分別對應(yīng)不同的TC。EDCF同時(shí)也定義了接入類別(AC),它在站點(diǎn)內(nèi)部提供了對不同優(yōu)先級分組的分類支持。每個(gè)站點(diǎn)中都可以有4種AC來支持用戶的優(yōu)先級。其中一個(gè)AC可以對應(yīng)一個(gè)或者多個(gè)優(yōu)先級。站點(diǎn)需要根據(jù)待傳數(shù)據(jù)幀的AC來接入信道。表1中給出了TC優(yōu)先級到AC的映射。

在EDCF中每個(gè)AC都是DCF變體,使用一套組信道訪問參數(shù)去競爭傳輸機(jī)會(huì)(TxOP)。TxOP表示當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)被獲準(zhǔn)向信道發(fā)起傳輸?shù)囊欢螘r(shí)間間隔。具有高優(yōu)先級的AC被指定給更小的競爭窗口(CW)，以保證高優(yōu)先級比低優(yōu)先級的AC能優(yōu)先發(fā)送?？梢酝ㄟ^對AC設(shè)置競爭窗口限界(CWmin[AC]，CWmax[AC])來得到這種接入優(yōu)先。為了進(jìn)一步進(jìn)行服務(wù)的區(qū)分，不同的AC采用不同的幀間隔。802.11DCF中如果一個(gè)站點(diǎn)要開始一個(gè)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送過程，必須在DIFS時(shí)段里信道應(yīng)該保持空閑。在EDCF中，DIFS被AIFS[AC]代替，并且AIFS[AC]≥DIFS。AIFS[AC]計(jì)算公式如下：AIFS[AC]=SIFS+AIFSN[AC]×?xí)r隙，其中AIFSN[AC]是一個(gè)正整數(shù)，時(shí)隙是和物理層相關(guān)的時(shí)間長度。

如果一個(gè)使用EDCF的站點(diǎn)在準(zhǔn)備發(fā)送的時(shí)候發(fā)現(xiàn)信道忙，則開始推遲發(fā)送，直到信道空閑。推遲結(jié)束后，再等待AIFS[AC]時(shí)段，然后啟動(dòng)一個(gè)退避過程。退避間隔是[1,CW[AC]+1]內(nèi)的一個(gè)隨機(jī)數(shù)。在EDCF中引入了一個(gè)堅(jiān)持因子PF，來調(diào)節(jié)窗口變化的幅度。在IEEE802.11中，相當(dāng)于PF恒等于2。在802.11e中，對于不同的AC，采用不同的PF，即CW[AC]=min((原CW[AC]+1)×PF-1,CWmax[AC]).EDCF信道接入定時(shí)圖如圖1所示。

圖1EDCF信道接入定時(shí)圖

在EDCF站點(diǎn)中，每一個(gè)AC都類似一個(gè)虛擬站點(diǎn)，通過競爭獨(dú)立地接入信道。當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)內(nèi)部有多個(gè)AC同時(shí)準(zhǔn)備發(fā)送的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生所謂的“虛擬碰撞”。解決的辦法是擁有最高優(yōu)先級的站點(diǎn)將獲得TxOP，而來自低優(yōu)先級AC的發(fā)送，需要像真正在信道上發(fā)生了沖突一樣進(jìn)行退避。如圖2所示為參考實(shí)現(xiàn)模型。EDCF通過引入TC來實(shí)現(xiàn)對QoS的支持，MAC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元的傳送通過一個(gè)站點(diǎn)內(nèi)多個(gè)發(fā)送進(jìn)程實(shí)現(xiàn)。每一個(gè)發(fā)送進(jìn)程都使用與TC相關(guān)的參數(shù)。

圖2EDCF參考實(shí)現(xiàn)模型

2仿真與結(jié)果分析

2.1仿真建模及參數(shù)設(shè)置

本文仿真采用的軟件是離散事件仿真器NS2的2.30版本，在WindowsXP的Cygwin平臺(tái)上進(jìn)行仿真，其中安裝了對802.11e協(xié)議支持的補(bǔ)丁包。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎昧薎nfrastructure的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一臺(tái)AP通過無線媒質(zhì)與若干臺(tái)移動(dòng)終端MT相連，均由MT向AP發(fā)送業(yè)務(wù)流。其中有m臺(tái)MT發(fā)送語音流，n臺(tái)MT發(fā)送數(shù)據(jù)流。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)鋱D

這里物理層采用的是802.11bDSSS，在此信道的總帶寬采用11Mbit/s。語音流和數(shù)據(jù)流的到達(dá)模型均分服從泊松分布。語音流的呼叫駐留時(shí)間模型服從負(fù)指數(shù)分布，數(shù)據(jù)流的流量模型服從佩瑞特分布。由于語音業(yè)務(wù)是一種實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的業(yè)務(wù)，它可以忍受較高的誤碼率和分組丟失率，但對時(shí)延卻有嚴(yán)格的要求，且其占用的帶寬一定，因此設(shè)置語音流為CBR流，遵從UDP協(xié)議。而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以容忍時(shí)延，但對誤碼率和分組丟失率非常敏感，因此對其設(shè)置為遵從TCP協(xié)議。其具體的EDCF參數(shù)配置見表2。

表2EDFC參數(shù)配置

網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載有高、中、低之分，分別對應(yīng)設(shè)置m=6,n=3;m=4,n=2;m=2,n=1三種情況。

對比在DCF和EDCF兩種方式下語音、數(shù)據(jù)分別的時(shí)延和丟包率。選擇這兩個(gè)性能參數(shù)是因?yàn)樗鼈儗τ谘芯繕I(yè)務(wù)的QoS至關(guān)重要。

2.2仿真結(jié)果

（1）低負(fù)荷仿真

在低業(yè)務(wù)負(fù)荷的仿真場景里，語音流的數(shù)目是2個(gè)，數(shù)據(jù)流的數(shù)目是1個(gè)。圖4為在DFC和EDFC下語音時(shí)延的對比圖。圖5為在DFC和EDFC下數(shù)據(jù)時(shí)延的對比圖。其中橫坐標(biāo)為發(fā)送時(shí)間，縱坐標(biāo)為延遲時(shí)間。

圖4圖5

在DFC下，語音的丟包率約為0.083%，數(shù)據(jù)的丟包率約為0。而在EDFC中，語音的丟包率減小到0，數(shù)據(jù)的丟包率為0。

我們可以看出，在業(yè)務(wù)流數(shù)目很少的情況下，無論是語音業(yè)務(wù)還是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它們的性能都是令人滿意的，延遲時(shí)間短，且?guī)缀鯖]有丟包。并且通過采用EDCF制式，語音的業(yè)務(wù)性能獲得進(jìn)一步的改善，延遲時(shí)間更短，丟包率也減小到0,而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的性能幾乎沒有改變。

（2）中負(fù)荷仿真

在中業(yè)務(wù)負(fù)荷的仿真場景里，語音流的數(shù)目是4個(gè)，數(shù)據(jù)流的數(shù)目是2個(gè)。圖6為在DFC和EDFC下語音時(shí)延的對比圖。圖7為在DFC和EDFC下數(shù)據(jù)時(shí)延的對比圖。其中橫坐標(biāo)為發(fā)送時(shí)間，縱坐標(biāo)為延遲時(shí)間。

圖6圖7

在DFC下，語音的丟包率約為1.143%，數(shù)據(jù)的丟包率約為0.954%。而在EDFC中，語音的丟包率減小到0.642%，數(shù)據(jù)的丟包率增加到0.997%。

當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)目有所增加時(shí)，我們看出，語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的性能都有所下降，特別是丟包率的增加引起我們的關(guān)注。這時(shí)，語音的丟包率已經(jīng)大于1%，但通過提高它的優(yōu)先級，我們減小了語音的丟包率，保證了語音的QoS，而且也沒有太多地犧牲數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

（3）高負(fù)荷仿真

在高業(yè)務(wù)負(fù)荷的仿真場景里，語音流的數(shù)目是6個(gè)，數(shù)據(jù)流的數(shù)目是3個(gè)。圖8為在DFC和EDFC下語音時(shí)延的對比圖。圖9為在DFC和EDFC下數(shù)據(jù)時(shí)延的對比圖。其中橫坐標(biāo)為發(fā)送時(shí)間，縱坐標(biāo)為延遲時(shí)間。

圖8圖9

在DFC下，語音的丟包率約為5.489%，數(shù)據(jù)的丟包率約為1.818%。而在EDFC中，語音的丟包率減小到2.058%，數(shù)據(jù)的丟包率到3.117%。

業(yè)務(wù)數(shù)目進(jìn)一步增加到高負(fù)荷情況時(shí)，兩種業(yè)務(wù)的性能都明顯下降（主要體現(xiàn)在丟包率問題上），已經(jīng)不能滿足用戶需求。但通過犧牲數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，語音業(yè)務(wù)的性能有顯著改善。

2.3仿真分析

這里，我們首先注意到，在DFC機(jī)制下，語音業(yè)務(wù)的延遲時(shí)間總小于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而其丟包率大于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這是因?yàn)檎Z音采用的是UDP協(xié)議，而數(shù)據(jù)采用了TCP。我們知道，TCP提供高可靠服務(wù)，而UDP提供高效服務(wù)。TCP本身是一種面向連接的協(xié)議，同時(shí)它自帶檢錯(cuò)糾錯(cuò)和自動(dòng)重發(fā)功能，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，TCP能夠主動(dòng)降低發(fā)送速率，使擁塞現(xiàn)象緩解，因此，采用TCP的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的時(shí)延會(huì)相對而言較大，但它的丟包率較低。UDP是一種無保證的協(xié)議，沒有任何檢錯(cuò)重發(fā)等功能，且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，UDP對此并不作出任何反映，因此采用UDP的語音業(yè)務(wù)時(shí)延小，但丟包率大。

當(dāng)采用了EDCF方式后，由仿真結(jié)果我們可以看出，無論是在高、中、低負(fù)荷的環(huán)境下，對于高優(yōu)先級的語音業(yè)務(wù)的性能改善都有顯著效果，既降低了延遲時(shí)間，又減少了丟包率。但是，隨著用戶數(shù)的逐漸增加，其業(yè)務(wù)質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢，其中延遲時(shí)間的變化并不十分明顯，但丟包率的增大（在低負(fù)荷環(huán)境下為0，但在高負(fù)荷環(huán)境下增加到2.058%）使得QoS逐漸不能滿足用戶的要求。相對于語音業(yè)務(wù)，采用EDCF制式對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的QoS呈現(xiàn)出相反的表現(xiàn)，這在延遲和丟包率方面都有所體現(xiàn)。由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對延遲有一定的容忍性，因此其仿真得出的延遲時(shí)間尚可接受，但它對誤碼率和分組丟失率非常敏感，這里我們沒有進(jìn)行誤碼率的研究，僅僅對分組丟失率進(jìn)行了仿真，可以看出EDFC下數(shù)據(jù)的丟包率相對于DFC都有所增長。

對比高、中、低三種負(fù)荷環(huán)境下的情況：在低負(fù)荷中，無論語音還是數(shù)據(jù)的性能都令人滿意，都有較短的延遲和幾乎為0的丟包，使得網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足用戶的QoS需求，采用了EDFC后也基本沒有犧牲數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)能力，這也充分說明只要有足夠的帶寬，QoS就能有所保證，帶寬是根本；在中負(fù)荷環(huán)境下，兩種業(yè)務(wù)的性能都有所下降，但對于語音業(yè)務(wù)而言更為重要的時(shí)延和對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)更為重要的丟包率都還在可接受范圍，此時(shí)在EDFC下已經(jīng)需要犧牲數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的性能來提升語音業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量；到了高負(fù)荷下，兩者的性能急劇下降，已經(jīng)不能滿足用戶對業(yè)務(wù)的QoS需求，這是由于業(yè)務(wù)數(shù)目增加，競爭加劇，導(dǎo)致沖突次數(shù)增多，分配給每個(gè)用戶的帶寬減少所致，此時(shí)，為了換回語音業(yè)務(wù)的時(shí)延和丟包率，犧牲了數(shù)據(jù)服務(wù)能力（丟包率從1.818%上升到3.117%，時(shí)延也有所增加）。由此可見，合理地控制網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)數(shù)對于保證各項(xiàng)業(yè)務(wù)的QoS至關(guān)重要。

由于此次仿真研究的目的是考察802.11e協(xié)議通過增設(shè)優(yōu)先級，對于優(yōu)先級高的業(yè)務(wù)的QoS改善與否以及改善程度。這里我們可以看到，通過設(shè)置語音業(yè)務(wù)的優(yōu)先級高于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，顯著改善了語音業(yè)務(wù)的QoS。特別是降低了延遲時(shí)間，這對于語音這種實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的業(yè)務(wù)而言，是極具價(jià)值的。同時(shí)，使用EDFC方式，對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的性能有一定的犧牲，但不十分明顯。可以這樣理解，802.11e的EDFC制式，在付出代價(jià)較低的情況下，獲得了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)QoS提升的好處。這樣的結(jié)果是令人滿意的,同時(shí)也達(dá)到了此次仿真的目的。

3結(jié)論

IEEE802.11e提供的是IEEE802.11的MAC層增強(qiáng)機(jī)制。由仿真結(jié)果可以看出，EDFC機(jī)制通過抑制低優(yōu)先級站點(diǎn)的服務(wù)來提升高優(yōu)先級站點(diǎn)的服務(wù)能力。同時(shí)，802.11e還提供了一種HCF信道訪問機(jī)制，可以同時(shí)工作于CP和CFP的超幀中，獲得高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的性能改善。然而，由于IEEE802．1le至今還沒有從工程實(shí)現(xiàn)的角度解決CP時(shí)期相同優(yōu)先級之間的沖突問題和CFP時(shí)期的空包輪詢浪費(fèi)問題，它對WLAN支持多媒體業(yè)務(wù)的QoS尚有提升的空間。下一步工作將著重考慮以上提出的兩個(gè)問題，研究解決方案，以期進(jìn)一步改善多媒體業(yè)務(wù)的QoS。

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