虛擬載波偵聽機(jī)制對(duì)EDCA性能的影響*

張 牧，嚴(yán)軍榮

（1.貴陽(yáng)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系 貴陽(yáng) 550005；2.杭州電子科技大學(xué)通信學(xué)院 杭州 310018）

虛擬載波偵聽機(jī)制對(duì)EDCA性能的影響*

張 牧1，嚴(yán)軍榮2

（1.貴陽(yáng)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系 貴陽(yáng) 550005；2.杭州電子科技大學(xué)通信學(xué)院 杭州 310018）

本文研究虛擬載波偵聽機(jī)制對(duì)EDCA機(jī)制性能的負(fù)面影響。首先指出在RTS/CTS 4次握手不能夠完成時(shí)，虛擬載波偵聽機(jī)制中網(wǎng)絡(luò)分配矢量（NAV）會(huì)浪費(fèi)信道資源；然后討論了NAV設(shè)置影響EDCA性能的關(guān)鍵參數(shù)，并得出該參數(shù)在采用與不采用NAV清除機(jī)制以及沒(méi)有考慮NAV設(shè)置影響情況下的取值；最后在不同訪問(wèn)類別（AC）下仿真顯示EDCA機(jī)制的吞吐性能。很明顯，虛擬載波偵聽機(jī)制的NAV設(shè)置對(duì)EDCA吞吐性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響，采用NAV清除機(jī)制的性能優(yōu)于不采用NAV清除機(jī)制的性能。

無(wú)線局域網(wǎng)；EDCA；虛擬載波偵聽；網(wǎng)絡(luò)分配矢量

* 國(guó)家“863”基金資助項(xiàng)目（2009AA01Z202， 2009AA01Z212）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2007603）；貴州省科技廳工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(No.(2008)3034)；貴陽(yáng)市人才創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目；貴陽(yáng)市科技局信息化專項(xiàng)項(xiàng)目

1 引言

IEEE802.11e標(biāo)準(zhǔn)定義的EDCA機(jī)制[1]（Draft 5.0之前稱為EDCF）是在IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的DCF機(jī)制基礎(chǔ)上增加QoS支持。EDCA主要采用了優(yōu)先級(jí)分類策略，指定語(yǔ)音、視頻、盡力而為和后臺(tái)等4種服務(wù)類型來(lái)對(duì)應(yīng)不同優(yōu)先級(jí)的訪問(wèn)類別(AC)。在一個(gè)QSTA內(nèi)可以同時(shí)有4個(gè)傳送隊(duì)列（對(duì)應(yīng)4種AC業(yè)務(wù)和4個(gè)隨機(jī)退避狀態(tài)機(jī)EDCAF[AC]）。同時(shí)，EDCA還提出了內(nèi)部虛擬沖突解決方案。

EDCA機(jī)制的性能研究主要以DCF機(jī)制的相關(guān)研究為基礎(chǔ)。Hui[2,3]把Bianchi[4]提出的一種用來(lái)計(jì)算飽和條件下DCF吞吐率的二維Markov鏈模型與Cali[5,6]提出的一種p堅(jiān)持的Markov鏈模型和Tay[7]的平均值數(shù)學(xué)模型（DCF機(jī)制的3種主流研究模型）統(tǒng)一起來(lái)提出的一種模型，對(duì)EDCA的吞吐率和時(shí)延進(jìn)行分析，該模型的缺點(diǎn)是每個(gè)QSTA內(nèi)僅考慮了一個(gè)AC隊(duì)列。Xiao[8,9]在Bianchi[4]和Ziouva[10]模型基礎(chǔ)上，通過(guò)區(qū)分競(jìng)爭(zhēng)窗口（CW）提出DCF和EDCF基于退避的優(yōu)先級(jí)策略，缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮不同AIFS和內(nèi)部虛擬沖突。參考文獻(xiàn) [11]提出考慮虛擬沖突的EDCA性能分析，不足之處是把AC僅分為高和低兩類優(yōu)先級(jí)。參考文獻(xiàn)[12]在Bianchi的二維Markov鏈模型基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)造EDCAF[AC]和簡(jiǎn)單EDCA模型，從而構(gòu)造出綜合內(nèi)部虛擬沖突和外部沖突的復(fù)雜EDCA模型。經(jīng)過(guò)近5年的研究和積累，EDCA機(jī)制的研究步入成熟。但是理論研究中仍然存在著明顯不足，絕大多數(shù)參考文獻(xiàn)并沒(méi)有考慮虛擬載波偵聽（V-CS）機(jī)制對(duì)EDCA性能的影響。

本文在參考文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究虛擬載波偵聽機(jī)制中NAV設(shè)置對(duì)EDCA的性能影響。為直觀地顯示NAV設(shè)置對(duì)4種AC吞吐率的影響，采用參考文獻(xiàn)[12]中EDCAF[AC]模型進(jìn)行分析和仿真。

2 虛擬載波偵聽的NAV設(shè)置

為了避免無(wú)線沖突，IEEE802.11 MAC層協(xié)議采用物理載波偵聽和虛擬載波偵聽相結(jié)合的方式。其中，虛擬載波偵聽通過(guò)設(shè)置NAV來(lái)實(shí)現(xiàn)。IEEE802.11中定義的NAV設(shè)置原理如圖1所示。其中，圖1（a）顯示在RTS成功發(fā)送后，為每個(gè)數(shù)據(jù)包設(shè)置NAV來(lái)保護(hù)信道，直到收到相應(yīng)的ACK為止；圖1（b）顯示在RTS/CTS 4次握手不能完成時(shí)，IEEE802.11中可選的NAV清除機(jī)制。

很明顯，在正常傳輸?shù)那闆r下，設(shè)置NAV不會(huì)影響EDCA機(jī)制的性能。但是，在RTS/CTS 4次握手不能夠完成的情況下，由于無(wú)線信道不能及時(shí)釋放，設(shè)置NAV反而會(huì)加劇EDCA機(jī)制的吞吐率損失。采用與不采用NAV清除機(jī)制對(duì)EDCA的性能影響相差很大。

3EDCAF[AC]模型及NAV影響

為直觀顯示NAV設(shè)置對(duì)4種AC吞吐率的影響，本文采用參考文獻(xiàn)[12]中EDCAF[AC]模型進(jìn)行分析和仿真，即每個(gè)QSTA內(nèi)僅有1個(gè)EDCAF[AC]且所有QSTA內(nèi)的EDCAF[AC]為同種AC的情形。

本文模型的假設(shè)條件是：理想信道，不考慮傳輸錯(cuò)誤，只考慮協(xié)議本身的性能，只要出現(xiàn)任意長(zhǎng)度的幀重疊就是發(fā)生沖突；數(shù)據(jù)幀的重傳次數(shù)不受限制，直到成功發(fā)送為止；無(wú)論數(shù)據(jù)幀發(fā)送或重傳多少次，其發(fā)生沖突的概率恒定且相互獨(dú)立；每個(gè)EDCAF[AC]或QSTA始終有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送（飽和狀態(tài)）并且數(shù)據(jù)幀到達(dá)（包括新數(shù)據(jù)幀和重發(fā)數(shù)據(jù)幀）是泊松過(guò)程；QSTA的移動(dòng)是有限的，忽略QSTA發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀時(shí)的位置變化。

式（6）涉及兩個(gè)重要參數(shù)：成功發(fā)送時(shí)間Tsj和沖突時(shí)間Tcj。根據(jù)EDCA機(jī)制原理，不同AC中成功發(fā)送時(shí)間Tsj=AIFS[AC]+RTS+δ+SIFS+CTS+δ+SIFS+H+E[P]+δ+SIFS+ACK+δ。其中，δ為傳播時(shí)延，H=物理層幀頭+MAC層幀頭。而沖突時(shí)間Tcj的取值則受到NAV設(shè)置的影響。

本文分3種情況討論發(fā)生無(wú)線沖突后的NAV設(shè)置。

（1）采用NAV清除機(jī)制

沖突發(fā)生后，NAV設(shè)置并不做任何改變。一直等到NAV設(shè)置中duration域值自動(dòng)遞減為0后，才開始重新使用信道，很明顯發(fā)生沖突后這段時(shí)間的信道完全浪費(fèi)了。此時(shí)，沖突時(shí)間Tcj=Tsj。

（2）不采用NAV清除機(jī)制

節(jié)點(diǎn)使用最近的RTS幀來(lái)更新它的NAV，如果在2SIFS+CTS+2σ+δ的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有監(jiān)測(cè)到信號(hào)，則清除它的NAV。相對(duì)無(wú)NAV清除機(jī)制的情況，發(fā)生沖突后浪費(fèi)的信道時(shí)間相對(duì)要小。此時(shí)，沖突時(shí)間Tcj=AIFS[AC]+RTS+δ+2SIFS+CTS+2σ。

（3）沒(méi)有考慮NAV設(shè)置影響

現(xiàn)有的參考文獻(xiàn)中通?？紤]EDCA機(jī)制本身的性能，并沒(méi)有考慮NAV設(shè)置對(duì)EDCA性能的影響，甚至于不考慮隱藏終端問(wèn)題。通常，Tcj=AIFS[AC]+RTS+δ。

4 仿真結(jié)果比較

4.1 仿真數(shù)據(jù)

本仿真采用IEEE802.11b的DSSS系統(tǒng)[13]，參數(shù)見表1。其中，MAC header為MAC報(bào)頭和幀校驗(yàn)序列長(zhǎng)度，取值為32 byte。EDCA機(jī)制仿真數(shù)據(jù)見表2，從表中可以看出mj=5。

表1 DSSS系統(tǒng)參數(shù)

表2 EDCA機(jī)制仿真數(shù)據(jù)

4.2 EDCA吞吐率比較

仿真EDCA機(jī)制4種AC在3種NAV設(shè)置下的歸一化吞吐率如圖3所示。為便于比較，仿真參數(shù)中AC3和AC2的仲裁幀間間隔（AIFS）值相同，AC1和AC0的 AIFS值相同，但是各AC的競(jìng)爭(zhēng)窗口（CW）設(shè)置不同。因此，在不考慮NAV設(shè)置（無(wú)NAV）的情況下，AC3和AC2的仿真結(jié)果很接近，AC1和AC0的仿真結(jié)果很接近。

很明顯，在相同AC下，發(fā)生沖突后，不考慮NAV設(shè)置的吞吐率最大，其次是采用清除機(jī)制NAV（有NAV）的吞吐率，不采用清除機(jī)制NAV（無(wú)NAV）的吞吐率最低。其中，采用清除機(jī)制NAV的吞吐率相比不考慮NAV設(shè)置的吞吐率有所下降，但是不采用清除機(jī)制NAV的吞吐率則嚴(yán)重下降。

比較4種AC，隨著優(yōu)先級(jí)的降低，即隨著AIFS和CW的增大，相對(duì)于不考慮NAV設(shè)置的情況，采用清除機(jī)制和不采用清除機(jī)制的吞吐率下降幅度逐漸變小。尤其是在AC1和AC0中，采用清除機(jī)制NAV的吞吐率與不考慮NAV設(shè)置的情形相差并不大。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了虛擬載波偵聽機(jī)制中設(shè)置NAV對(duì)EDCA機(jī)制性能的影響。由于現(xiàn)有的EDCA機(jī)制性能分析模型中并沒(méi)有考慮虛擬載波偵聽機(jī)制的負(fù)面影響，因此EDCA的理論研究中存在著明顯的不足。本文研究了虛擬載波偵聽機(jī)制中NAV設(shè)置在采用與不采用NAV清除機(jī)制時(shí)EDCA機(jī)制的吞吐性能，同時(shí)在不同AC下與沒(méi)有考慮NAV設(shè)置影響情況下的吞吐率進(jìn)行比較。仿真結(jié)果顯示NAV設(shè)置對(duì)EDCA機(jī)制的吞吐性能會(huì)產(chǎn)生很大影響，尤其是在不采用清除機(jī)制的情況下。采用清除機(jī)制的NAV設(shè)置能夠減小虛擬載波偵聽機(jī)制對(duì)EDCA性能的負(fù)面影響。

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2 Hui J,Devetsikiotis M.Performance analysis of IEEE802.11e EDCA by a unified model.In:Global Telecommunications Conference 2004,Dallas,USA,Nov 29,2004

3 Hui J,Devetsikiotis M.A unified model for the performance analysis of IEEE802.11e EDCA.IEEE Transaction on Communications,2005,53(9):1 498～1 510

4 Bianchi G.Performance analysis of the IEEE802.11 distributed coordination function.IEEE Journalon Selected Areasin Communication,2000,18(3):535～547

5 Cali F,Conti M,Gregori E.In:IEEE802.11 wireless LAN:Capacity analysis and protocol enhancement.Seventeenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies,1998,San Francisco,USA,Apr 1998

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10 Ziouva E,Antonakopoulos T.CSMA/CA performance under high traffic conditions:throughputand delayanalysis.Computer Communications,2002,25(3):313～321

11 Hwang H Y,Kim S J,Sung D K,et al.Performance analysis of IEEE802.11e EDCA with a virtual collision handler.IEEE Transaction on Vehicular Technology,2008,57(2):1 293～1 297

12 嚴(yán)軍榮,張順頤,龍華等.一種EDCA機(jī)制分析模型.電子與信息學(xué)報(bào),2008,30(4):979～983

13 IEEE802.11.Wireless LAN medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications,2007

Performance Impact of Virtual Carrier Sensing Mechanism on EDCA

Zhang Mu1,Yan Junrong2
（1.Department of Computer Science,Guiyang University,Guiyang 550002,China;2.Department of Communication Engineering,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China）

Negative effect of virtual carrier sensing mechanism on EDCA mechanism is elaborated.Network allocation vector(NAV)of virtual carrier sensing mechanism is indicated that which waste channel resource in the case of uncompleted RTS/CTS four-way handshake.Then the key parameters which effect on the performance of EDCA are discussed and the value of the parameters are deduced under the condition of NAV settings with or without NAV clear mechanism,without consideration of NAV negative effect.At last,simulations show the throughput of EDCA in different access categories(AC).Apparently the NAV settings of virtual carrier sensing mechanism brought big effect on the throughput of EDCA,and that with NAV clear mechanism is better than that without NAV clear mechanism.

wireless local area network,enhanced distributed channel access,virtual carrier sensing,network allocation vector

2010-07-24）

張牧，博士，貴陽(yáng)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；嚴(yán)軍榮，博士，杭州電子科學(xué)大學(xué)通信學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信網(wǎng)。