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摘要：隨著無線網絡的迅速發展，網絡上的業務流量與日俱增，如何保證無線局城網實時業務服務質量的問題也越來越突出。本文分別介紹了IEEE802.11中的MAC層協議和802.1le標準中所采納的改進方式，通過對比分析DFC和EDCF的性能特性，指出了802．11e標準對MAC層所做的改進。

關鍵詞：wlan、802.11、802.11e、DFC、EDFC

引言

近年來,隨著數據業務需求的不斷增加，以IEEE802.11協議為基礎的無線局域網(WLAN)的研究正逐漸成為人們研究的熱點。隨著這項技術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等多媒體傳輸業務提出了要求。這些業務一般都是時間敏感的，WLAN要想成為無線多媒體網絡，就必須提供服務質量(QoS)的保證。為此，IEEE成立了802.11e工作組負責802.11WLAN的QoS工作，其目的是通過增強802.11WLAN的MAC協議，擴展對業務的QoS支持，同時提高網絡的容量和效率。

本文通過研究基于802.11DFC以及802.11eEDFC兩種協議上的業務質量，對其建模、仿真，并分析數據結果，體現了802.11e標準對MAC層所做的改進。

1IEEE802.11標準

1.1802.11分布協調功能DFC

IEEE802.11有兩種方式，即分布協調功能DCF(DistributedCoordinationFuntion)和點協調功能PCF(PointCoordinationFuntion)。DCF是IEEE802.11最基本的媒體訪問方法，用于AdHoc和Infrastructure網絡結構中。

在DCF模式下，每個移動終端(MT)在發送數據前要先檢測信道是否空閑。如果在一個DCF幀間間隔(DIFS)內MT檢測到信道空閑，則立即發送數據。如果檢測到信道狀態為“忙”，MT將會推遲對信道使用權的競爭，一直延遲到現行的傳輸結束為止。在延遲之后，該MT要經過一個隨機退避(backof)時間重新競爭對信道的使用權。隨機退避時間的長度是一個時隙(SlotTime)的整數倍。確切地說，就是MT選擇了一個介于0和CW之間的隨機數。每個MT都維持著這樣一個競爭窗(ContentionWindow,CW)來決定本站點在延遲之后必須等待的時間間隔。如果MT在一個SlotTime間隔內檢測到信道空閑，退避時間定時器將減小退避時間，退避時間定時器一歸零，MT就開始發送數據。成功接收到一幀數據后，接收站點立刻發送一個確認幀(ACK)通知發送端該幀數據發送成功。如果發送失敗，則認為發生了沖突。在任意一次傳輸失敗后，CW的尺寸將增加1倍并啟動一個新的隨機退避規程。該過程將會一直持續下去，直至傳輸成功或放棄本次傳輸。

1.2IEEE802.11e增強型分布式協調功能EDCF

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

EDCF使用業務類別(TC)，為站點提供了可區分的、分布式接入信道的8個優先級。這些優先級分別對應不同的TC。EDCF同時也定義了接入類別(AC),它在站點內部提供了對不同優先級分組的分類支持。每個站點中都可以有4種AC來支持用戶的優先級。其中一個AC可以對應一個或者多個優先級。站點需要根據待傳數據幀的AC來接入信道。表1中給出了TC優先級到AC的映射。

在EDCF中每個AC都是DCF變體,使用一套組信道訪問參數去競爭傳輸機會(TxOP)。TxOP表示當一個站點被獲準向信道發起傳輸的一段時間間隔。具有高優先級的AC被指定給更小的競爭窗口(CW)，以保證高優先級比低優先級的AC能優先發送。可以通過對AC設置競爭窗口限界(CWmin[AC]，CWmax[AC])來得到這種接入優先。為了進一步進行服務的區分，不同的AC采用不同的幀間隔。802.11DCF中如果一個站點要開始一個數據幀的發送過程，必須在DIFS時段里信道應該保持空閑。在EDCF中，DIFS被AIFS[AC]代替，并且AIFS[AC]≥DIFS。AIFS[AC]計算公式如下：AIFS[AC]=SIFS+AIFSN[AC]×時隙，其中AIFSN[AC]是一個正整數，時隙是和物理層相關的時間長度。

如果一個使用EDCF的站點在準備發送的時候發現信道忙，則開始推遲發送，直到信道空閑。推遲結束后，再等待AIFS[AC]時段，然后啟動一個退避過程。退避間隔是[1,CW[AC]+1]內的一個隨機數。在EDCF中引入了一個堅持因子PF，來調節窗口變化的幅度。在IEEE802.11中，相當于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信道接入定時圖如圖1所示。

圖1EDCF信道接入定時圖

在EDCF站點中，每一個AC都類似一個虛擬站點，通過競爭獨立地接入信道。當一個站點內部有多個AC同時準備發送的時候，就會產生所謂的“虛擬碰撞”。解決的辦法是擁有最高優先級的站點將獲得TxOP，而來自低優先級AC的發送，需要像真正在信道上發生了沖突一樣進行退避。如圖2所示為參考實現模型。EDCF通過引入TC來實現對QoS的支持，MAC業務數據單元的傳送通過一個站點內多個發送進程實現。每一個發送進程都使用與TC相關的參數。

圖2EDCF參考實現模型

2仿真與結果分析

2.1仿真建模及參數設置

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平臺上進行仿真，其中安裝了對802.11e協議支持的補丁包。

網絡拓撲采用了Infrastructure的網絡結構，由一臺AP通過無線媒質與若干臺移動終端MT相連，均由MT向AP發送業務流。其中有m臺MT發送語音流，n臺MT發送數據流。其網絡拓撲圖如圖3所示。

圖3網絡仿真拓撲圖

這里物理層采用的是802.11bDSSS，在此信道的總帶寬采用11Mbit/s。語音流和數據流的到達模型均分服從泊松分布。語音流的呼叫駐留時間模型服從負指數分布，數據流的流量模型服從佩瑞特分布。由于語音業務是一種實時性很強的業務，它可以忍受較高的誤碼率和分組丟失率，但對時延卻有嚴格的要求，且其占用的帶寬一定，因此設置語音流為CBR流，遵從UDP協議。而數據業務可以容忍時延，但對誤碼率和分組丟失率非常敏感，因此對其設置為遵從TCP協議。其具體的EDCF參數配置見表2。

表2EDFC參數配置

網絡的負載有高、中、低之分，分別對應設置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、數據分別的時延和丟包率。選擇這兩個性能參數是因為它們對于研究業務的QoS至關重要。

2.2仿真結果

（1）低負荷仿真

在低業務負荷的仿真場景里，語音流的數目是2個，數據流的數目是1個。圖4為在DFC和EDFC下語音時延的對比圖。圖5為在DFC和EDFC下數據時延的對比圖。其中橫坐標為發送時間，縱坐標為延遲時間。

圖4圖5

在DFC下，語音的丟包率約為0.083%，數據的丟包率約為0。而在EDFC中，語音的丟包率減小到0，數據的丟包率為0。

我們可以看出，在業務流數目很少的情況下，無論是語音業務還是數據業務，它們的性能都是令人滿意的，延遲時間短，且幾乎沒有丟包。并且通過采用EDCF制式，語音的業務性能獲得進一步的改善，延遲時間更短，丟包率也減小到0,而數據業務的性能幾乎沒有改變。

（2）中負荷仿真

在中業務負荷的仿真場景里，語音流的數目是4個，數據流的數目是2個。圖6為在DFC和EDFC下語音時延的對比圖。圖7為在DFC和EDFC下數據時延的對比圖。其中橫坐標為發送時間，縱坐標為延遲時間。

圖6圖7

在DFC下，語音的丟包率約為1.143%，數據的丟包率約為0.954%。而在EDFC中，語音的丟包率減小到0.642%，數據的丟包率增加到0.997%。

當業務數目有所增加時，我們看出，語音和數據業務的性能都有所下降，特別是丟包率的增加引起我們的關注。這時，語音的丟包率已經大于1%，但通過提高它的優先級，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據業務的服務質量。

（3）高負荷仿真

在高業務負荷的仿真場景里，語音流的數目是6個，數據流的數目是3個。圖8為在DFC和EDFC下語音時延的對比圖。圖9為在DFC和EDFC下數據時延的對比圖。其中橫坐標為發送時間，縱坐標為延遲時間。

圖8圖9

在DFC下，語音的丟包率約為5.489%，數據的丟包率約為1.818%。而在EDFC中，語音的丟包率減小到2.058%，數據的丟包率到3.117%。

業務數目進一步增加到高負荷情況時，兩種業務的性能都明顯下降（主要體現在丟包率問題上），已經不能滿足用戶需求。但通過犧牲數據業務，語音業務的性能有顯著改善。

2.3仿真分析

這里，我們首先注意到，在DFC機制下，語音業務的延遲時間總小于數據業務，而其丟包率大于數據業務。這是因為語音采用的是UDP協議，而數據采用了TCP。我們知道，TCP提供高可靠服務，而UDP提供高效服務。TCP本身是一種面向連接的協議，同時它自帶檢錯糾錯和自動重發功能，并且當網絡發生擁塞時，TCP能夠主動降低發送速率，使擁塞現象緩解，因此，采用TCP的數據業務的時延會相對而言較大，但它的丟包率較低。UDP是一種無保證的協議，沒有任何檢錯重發等功能，且當網絡擁塞時，UDP對此并不作出任何反映，因此采用UDP的語音業務時延小，但丟包率大。

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

對比高、中、低三種負荷環境下的情況：在低負荷中，無論語音還是數據的性能都令人滿意，都有較短的延遲和幾乎為0的丟包，使得網絡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據業務的服務能力，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；在中負荷環境下，兩種業務的性能都有所下降，但對于語音業務而言更為重要的時延和對于數據業務更為重要的丟包率都還在可接受范圍，此時在EDFC下已經需要犧牲數據業務的性能來提升語音業務的服務質量；到了高負荷下，兩者的性能急劇下降，已經不能滿足用戶對業務的QoS需求，這是由于業務數目增加，競爭加劇，導致沖突次數增多，分配給每個用戶的帶寬減少所致，此時，為了換回語音業務的時延和丟包率，犧牲了數據服務能力（丟包率從1.818%上升到3.117%，時延也有所增加）。由此可見，合理地控制網絡中業務數對于保證各項業務的QoS至關重要。

由于此次仿真研究的目的是考察802.11e協議通過增設優先級，對于優先級高的業務的QoS改善與否以及改善程度。這里我們可以看到，通過設置語音業務的優先級高于數據業務，顯著改善了語音業務的QoS。特別是降低了延遲時間，這對于語音這種實時性很強的業務而言，是極具價值的。同時，使用EDFC方式，對于數據業務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，在付出代價較低的情況下，獲得了高優先級業務QoS提升的好處。這樣的結果是令人滿意的,同時也達到了此次仿真的目的。

3結論

IEEE802.11e提供的是IEEE802.11的MAC層增強機制。由仿真結果可以看出，EDFC機制通過抑制低優先級站點的服務來提升高優先級站點的服務能力。同時，802.11e還提供了一種HCF信道訪問機制，可以同時工作于CP和CFP的超幀中，獲得高優先級業務的性能改善。然而，由于IEEE802．1le至今還沒有從工程實現的角度解決CP時期相同優先級之間的沖突問題和CFP時期的空包輪詢浪費問題，它對WLAN支持多媒體業務的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問題，研究解決方案，以期進一步改善多媒體業務的QoS。

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