802.11b DCF 協(xié)議和 802.11e EDCA 協(xié)議性能仿真與分析

謝 佳，徐山峰

(中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引言

流媒體是多媒體的一種，它指的是采用流式傳輸?shù)姆绞皆贗nternet播放的媒體格式。流媒體又叫流式媒體，它是指商家用一個(gè)視頻傳送服務(wù)器把節(jié)目當(dāng)成數(shù)據(jù)包發(fā)出，傳送到網(wǎng)絡(luò)上。用戶通過(guò)解壓設(shè)備對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓后，節(jié)目就會(huì)像發(fā)送前那樣顯示出來(lái)。

在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)母鞣N流媒體數(shù)據(jù)，其傳輸?shù)馁|(zhì)量會(huì)因?yàn)椴煌膲嚎s參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及網(wǎng)絡(luò)狀況而導(dǎo)致不同的質(zhì)量。

通常會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)牧髅襟w產(chǎn)生影響的主要因素有:GOP(group of picture)pattern、壓縮量化參數(shù)(quantization value)、封包長(zhǎng)度(packet size)和封包錯(cuò)誤率(packet error rate)。其中封包長(zhǎng)度和封包錯(cuò)誤率是網(wǎng)絡(luò)上傳輸流媒體時(shí)的兩項(xiàng)重要因素。

在網(wǎng)絡(luò)上傳輸視頻流時(shí)，封包錯(cuò)誤率會(huì)嚴(yán)重影響到傳輸圖像的質(zhì)量，因?yàn)榧偈咕W(wǎng)絡(luò)上的封包錯(cuò)誤率太大，封包遺失的概率變大，此時(shí)因?yàn)楝F(xiàn)今的圖像編碼技術(shù)大部分采用階層式的編碼(Hierarchy Coding)方式，前面遺失的封包將可能導(dǎo)致后來(lái)的畫(huà)面無(wú)法譯碼，造成圖像串流質(zhì)量變差。

網(wǎng)絡(luò)上傳輸圖像時(shí)，封包長(zhǎng)度將會(huì)影響每個(gè)frame分割出來(lái)的封包數(shù)，此外，封包長(zhǎng)度的大小本身也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)上的封包錯(cuò)誤率的大小。因此，將重點(diǎn)基于封包長(zhǎng)度這個(gè)參數(shù)對(duì)流媒體通信性能進(jìn)行仿真。

在無(wú)線局域網(wǎng)中，802.11協(xié)議族是應(yīng)用非常廣泛的協(xié)議族。802.11協(xié)議族采用多重存取/碰撞避免(CSMA/CA，carrier sense multiple access/collision avoidance)的方式，來(lái)降低無(wú)線信號(hào)之間碰撞的概率。

峰值信噪比(PSNR，peak to signal noise ratio)是一種較為被大眾認(rèn)可的圖像質(zhì)量評(píng)鑒客觀指針。計(jì)算公式是通過(guò)比較原始圖像S和目的圖像D的亮度部分Y。PSNR越大表示目的圖像與原始圖像差距越小，畫(huà)面質(zhì)量越好［1，2］。對(duì)于第n個(gè)圖片幀，給定一幅大小為Ncal×Nrow的數(shù)字化圖像 Ys(n，i，j)和參考圖像 YD(n，i，j)，其 PSNR 計(jì)算公式為［3］

式中，Vpeak=2k－1，k是對(duì)于亮度部分用幾個(gè)位來(lái)表示一個(gè)像素的值。

女子被土狼襲擊之后，青辰曾近距離地觀察過(guò)那傷口，很深。那時(shí)與現(xiàn)在只隔著六七個(gè)時(shí)辰，但現(xiàn)在的傷口，卻似乎比那時(shí)要淺著許多。青辰望向其他人，其他人似乎并沒(méi)有注意到這種異象。

IEEE 802.11b是無(wú)線局域網(wǎng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。其載波的頻率為2.4 GHz，最大傳送速度為11 M/s。IEEE 802.11b是所有無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中最著名，也是普及最廣的標(biāo)準(zhǔn)［4～6］。

IEEE 802.11e是IEEE為滿足服務(wù)質(zhì)量(QoS)方面的要求而制訂的WLAN標(biāo)準(zhǔn)。在一些語(yǔ)音、視頻等的傳輸中，QoS是非常重要的指標(biāo)。在802.11MAC層，802.11e加入了QoS功能，它的分布式控制模式可提供穩(wěn)定合理的服務(wù)質(zhì)量，而集中控制模式可靈活支持多種服務(wù)質(zhì)量策略，讓影音傳輸能及時(shí)、定量，保證多媒體的順暢應(yīng)用，WIFI聯(lián)盟將此稱為 WMM(wi－fi multimedia)［7］。

本文主要針對(duì)802.11b DCF和802.11e EDCA協(xié)議的流媒體通信性能進(jìn)行分析和比較。

1 協(xié)議簡(jiǎn)介

1.1 802.11b

分布式協(xié)調(diào)功能是802.11b的核心，通道的使用權(quán)通過(guò)各節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)決定，由于采用CSMA/CA策略，所以傳送數(shù)據(jù)前必須檢測(cè)信道狀態(tài)。當(dāng)信道處于閑置狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)需要再額外等待一段時(shí)間(DIFS，distribute inter－frame space)，過(guò)了 DIFS 后，如果信道仍處于閑置狀態(tài)則開(kāi)始傳送，否則，需要額外等待一段backoff的時(shí)間。競(jìng)爭(zhēng)窗口(CW，contention window)的大小決定了backoff的長(zhǎng)度，backoff的值為從0到CW間隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)整數(shù)，過(guò)了DIFS時(shí)間后開(kāi)始倒數(shù)，如果backoff已經(jīng)倒數(shù)到0，且信道空閑，才進(jìn)行傳送。傳送端可以通過(guò)ACK提示框來(lái)確認(rèn)數(shù)據(jù)是否正確地被接收端接收［8］。分布式協(xié)調(diào)功能時(shí)序圖如圖1所示。

圖1 分布式協(xié)調(diào)功能時(shí)序圖

1.2 802.11e

802.11b對(duì)數(shù)據(jù)的重要性一視同仁，所有數(shù)據(jù)都會(huì)被放在同一個(gè)隊(duì)列中等待傳送，因此往往有些實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)無(wú)法立即被服務(wù)，而非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)卻占用信道。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，802.11e中定義了8個(gè)隊(duì)列(AC，access category)，每個(gè)隊(duì)列傳送的優(yōu)先權(quán)不同［9］。MAC 層的 802.11e標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于 802.11b的改進(jìn)主要包括兩個(gè)方面:將分布式協(xié)調(diào)功能DCF替換為增強(qiáng)型分布式協(xié)調(diào)功能(EDCA);將集中式協(xié)調(diào)功能(PCF)替換為混合協(xié)調(diào)功能(HCCA)［10，11］。

不同的數(shù)據(jù)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的隊(duì)列進(jìn)行傳送。目前以4 個(gè)隊(duì)列最為常見(jiàn)，對(duì)于 audio、video、best effort、background均有其對(duì)應(yīng)的隊(duì)列，不同的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。這些隊(duì)列在競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)的優(yōu)先權(quán)有差異性。各隊(duì)列的傳送優(yōu)先級(jí)為audio＞video＞best effort＞background［12］。

表1 802.11e各隊(duì)列參數(shù)設(shè)定值

在增強(qiáng)分布式通道存取(EDCA)模式下，傳送數(shù)據(jù)類似于802.11b的分布式協(xié)調(diào)功能，差別在于從1個(gè)隊(duì)列變成4個(gè)隊(duì)列，如圖2所示。因此，在信道閑置時(shí)，各隊(duì)列等待的時(shí)間由各隊(duì)列的AIFS(Arbitration InterFrame Space)決定，而如果需要額外等待backoff的時(shí)間，較高優(yōu)先權(quán)的隊(duì)列其競(jìng)爭(zhēng)窗口較小，故隨機(jī)產(chǎn)生的backoff值較小，即擁有較大的概率競(jìng)爭(zhēng)到信道的使用權(quán)。

圖2 802.11b 和802.11e隊(duì)列機(jī)制的比較［3］

2 仿真與分析

采用NS－2作為仿真工具，NS－2是一款功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)模擬仿真器。它是用C++和OTCL兩種語(yǔ)言完成。C++語(yǔ)言編寫(xiě)協(xié)議執(zhí)行模塊，OTCL語(yǔ)言編寫(xiě)模擬任務(wù)。主要比較在802.11b和802.11e下，視頻流傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量。仿真的業(yè)務(wù)場(chǎng)景是:在一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中有3個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)n0、n1和n2，n0傳輸影片數(shù)據(jù)給n1，n1傳輸一個(gè)FTP流給n2，n2傳輸一個(gè) Exponential Traffic給 n0。在802.11e環(huán)境下，影片會(huì)被設(shè)置成video(prio_會(huì)被設(shè)置為1)，F(xiàn)TP流會(huì)被設(shè)置為best effort(prio_會(huì)被設(shè)置為2)，Exponential Traffic會(huì)被設(shè)置為background(prio_會(huì)被設(shè)置為3)。802.11b和802.11e的傳輸速率設(shè)置為 1 Mbps，路由協(xié)議采用 DSDV(Destination－Sequenced Distance－Vector)，封包長(zhǎng)度分 別 設(shè)置為512B/640B/768B/896B/1024B。仿真結(jié)果如圖3～5所示。

如圖3所示，隨著封包長(zhǎng)度的增大，802.11b和802.11e的平均PSNR，即圖像質(zhì)量整體呈增大趨勢(shì)。802.11e的平均PSNR優(yōu)于802.11b，二者的差距隨封包長(zhǎng)度的增大逐步縮小。封包長(zhǎng)度越長(zhǎng)，圖像質(zhì)量越高。這是因?yàn)樵谕粋€(gè)圖像中，如果所使用的封包長(zhǎng)度越長(zhǎng)，代表每一個(gè)畫(huà)面所需要分割的封包數(shù)越少，而此時(shí)因?yàn)榉獍e(cuò)誤率都是相同的，故與使用較短封包長(zhǎng)度的情況相比，其遺失的封包數(shù)會(huì)較少，形成的可譯碼畫(huà)面較多，圖像質(zhì)量也就較高。

如圖4、5所示，802.11e在傳輸影片過(guò)程中的平均封包時(shí)延和最大封包時(shí)延都明顯優(yōu)于802.11b，802.11e通過(guò)優(yōu)先權(quán)隊(duì)列來(lái)區(qū)分不同的業(yè)務(wù)，大大減低了實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延。

從以上的模擬結(jié)果可以看出，若是影片通過(guò)802.11e中的Video Service傳輸，除了可以得到較好的傳送質(zhì)量，且平均延遲時(shí)間也會(huì)比較小。

3 結(jié)語(yǔ)

802.11是IEEE最初制定的一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，也是目前應(yīng)用最為廣泛的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。802.11標(biāo)準(zhǔn)主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端的無(wú)線接入，業(yè)務(wù)主要是數(shù)據(jù)存?。?3］。本文通過(guò)對(duì) 802.11b DCF 協(xié)議和802.11e EDCA協(xié)議的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，說(shuō)明了802.11e EDCA協(xié)議在多媒體通信業(yè)務(wù)中的優(yōu)越性。

IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)提供了目前語(yǔ)音和視頻等應(yīng)用需要的服務(wù)質(zhì)量和增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)性能［14］。隨著新應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和使用，IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)獲得了更加豐富的經(jīng)驗(yàn)，毫無(wú)疑問(wèn)需要進(jìn)一步的研究和擴(kuò)展這個(gè)協(xié)議。

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