基于EDCA的WLAN QoS性能分析與仿真*

湯鵬杰，唐鳳仙

（河池學院 計算機與信息科學系，廣西 宜州 546300）

隨著生活水平的提高和技術的發(fā)展，人們在體驗到WLAN接入的便捷性之后，對其服務質(zhì)量（QoS）也提出了更高的要求，如語音數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)及其他大量數(shù)據(jù)傳輸時的服務質(zhì)量。由此IEEE工作委員會提出了保證WLAN QoS的802.11e標準，該標準以混合協(xié)調(diào)功能（HCF）訪問方式代替了分散協(xié)調(diào)功能（DCF）和單點協(xié)調(diào)功能（PCF）訪問方式。HCF以增強分布式協(xié)調(diào)訪問（EDCA）擴展了DCF的功能。EDCA和傳統(tǒng)的DCF不同，它可以為不同類型的業(yè)務提供按優(yōu)先級高低的信道接入和數(shù)據(jù)傳輸服務。這種對業(yè)務有所區(qū)分的做法保證了高優(yōu)先級的業(yè)務更加快捷地被傳送，而低優(yōu)先級業(yè)務則只能等待[1-2]。

本文通過改變相應的參數(shù)來改善EDCA的性能，并通過仿真實驗驗證了所設參數(shù)是非常有效的，不僅縮短了接入延遲，也提高了整個網(wǎng)絡的吞吐量。

1 EDCA協(xié)議

不同于DCF中所有的流量共享一個共同的隊列，EDCA定義了 4個傳輸隊列，也稱為訪問類別（AC），分別為背景流量（Background Traffic）、盡力而為流量（Best Effort Traffic）、視頻流量 （Video Traffic）和語音流量（Voice Traffic）。通過改變相應的訪問類別參數(shù)，可以實現(xiàn)不同的訪問類別[3-5]。這些參數(shù)包括競爭窗口的長度、退避或傳輸之前工作站的等待時間以及工作站接入媒介后的傳輸時間。

競爭窗口用來在工作站接入媒介之前計算退避時間片的個數(shù)，可以使用CWmin和CWmax來表示競爭窗口的最小值和最大值，通過改變 CWmin和 CWmax的值，可以為相關的訪問類別賦予一個較高的優(yōu)先級[6]。

EDCA中還定義了仲裁幀間間隔數(shù)（AIFSN）來表示在工作站開始傳輸數(shù)據(jù)或調(diào)用退避算法之前推遲一個短幀幀間間隔（SIFS）后的時槽個數(shù)[7]。AIFSN會影響仲裁幀間間隔（AIFS），因此，為 AIFSN設定一個較小的值也可以為相關的訪問類別賦予一個高的優(yōu)先級。

發(fā)送機會限制（TXOP）也是 EDCA用于確定訪問類別優(yōu)先級的一個重要參數(shù)。它可以定義工作站一次發(fā)送的最大數(shù)據(jù)長度，如果需要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度超過了TXOP的限制，也可以將本段數(shù)據(jù)分多次發(fā)送。如果給TXOP設置一個較大的值，則相應的訪問類別優(yōu)先級也越高。

每個AC在競爭TXOP時都是獨立的，一旦某個AC發(fā)現(xiàn)傳輸媒介上至少一個AIFS[AC]空閑，則其立即啟動退避計時器開始計時；如果在同一個工作站中有兩個或以上的AC在同一時槽中發(fā)送數(shù)據(jù)，則會產(chǎn)生和物理媒介上信號碰撞相似的沖突。

一般 情況下 ，EDCA 的 CWmin、CWmax、AIFS 和 TXOP 4個參數(shù)要根據(jù)具體的應用結(jié)合起來使用才有意義[8]。

2 性能仿真與分析

為驗證DECA的性能，本文使用OPNET設計了仿真程序。在默認情況下，EDCA中各接入類別的參數(shù)計算按如以下公式進行。

設變量t為2的整數(shù)次方，其初值為2。若AC是Voice類型，則有：

若AC是Video類型，則有：

若AC是Best Effort類型，則有：

若AC是Background類型，則有：

其中，phy_cw_min是在仿真之前所設置的CWmin的值，phy_cw_max是CWmax的值。這樣設置是為了保證具有高優(yōu)先級的AC比較低優(yōu)先級的AC更早地發(fā)送數(shù)據(jù)。CW越短，則其優(yōu)先級越高，而對于某個AC，其 CW的取值是在CWmin～CWmax之間。對于以上公式，可以看出，Voice類型的數(shù)據(jù)優(yōu)先級最高，其CWmax的值等于Video類型數(shù)據(jù)的CWmin的值，而Video類型的CW都小于Background類型和Best Effort類型的CW，從而保證了Voice的CW在所有AC中一直具有最小值。

對于TXOPlimit參數(shù)，它用于規(guī)定某個AC占用信道的權值，其值越大，則當前AC可占用信道時間越長。仿真時設置TXOPlimit值的公式如下：

AIFS也是一個衡量某個AC優(yōu)先級的重要參數(shù)。對于不同的AC數(shù)據(jù)幀，具有不同的幀間隔。某個AC要發(fā)送數(shù)據(jù)之前必須等待一個AIFS的時間間隔，并啟動退避過程。退避時間為（1，CW[AC]+1）個時槽。AIFS值按以下公式進行計算：

圖1為仿真場景。場景中共有4個工作站，其中node_0是無線接入點（AP），負責發(fā)送數(shù)據(jù)，其他工作站為普通站點，負責接收數(shù)據(jù)。4個工作站中，不設訪問類別，由工作站自己選擇。

表1是仿真開始前設置的EDCA初始參數(shù)。

表1 EDCA初始參數(shù)

仿真開始前，設置種子數(shù)為128，仿真時間是15 h。圖2和圖3分別是收集到的平均延遲時間和平均吞吐量。從仿真結(jié)果可以看出，其平均延遲時間接近0.001 5 s，吞吐量將穩(wěn)定在2 200 b/s。

3 改進的EDCA性能分析與仿真

為改善其性能，可以修改競爭窗口CW公式中的部分參數(shù)，以得到更佳的參數(shù)組合，提高性能。經(jīng)過多次實驗，得出以下結(jié)論，可以設置Voice的CW：

設置Video的CW：

設置 Best Effort的 CW：

設置Background的CW：

初始參數(shù)設置不變，得到的仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可以看出，改進后的平均延遲時間接近于0.001 3 s，比改進前延遲時間少了近0.000 2 s；改進后吞吐量為2 400 b/s，峰值更是在2 600 b/s以上，平均比改進前的吞吐量快了近200 b/s。

而如果設置各AC的CW計算公式中t的整數(shù)次方超過原計算式中的3倍，則性能不會再有提升。

本文通過分析EDCA協(xié)議的工作機制，指出為AC設置不同的EDCA參數(shù)可以改善其網(wǎng)絡性能、提高吞吐率并減少接入延遲。仿真結(jié)果表明，通過改變CW計算公式的部分參數(shù)，其延遲減少了近1/7，而吞吐率提高了1/11左右，改善了整個網(wǎng)絡的性能。

[1]IEEE Draft standard 802.1le／D6.0[S].

[2]毛建兵，毛玉明，冷甦鵬，等.支持 QoS的IEEE 802.11 EDCA 性能研究[J].軟件學報，2010，4（21）：750-770.

[3]Xu D， SAKURAI T， Vu H L.An analytical model of MAC access delay in IEEE 802.1le EDCA[C].Proceedings of the IEEE WCNC 2006.New York，2006：1938-1943.

[4]BANCHS A，VOLLEROL.Throughput analysis and optimal configuration of802.1leEDCA [J].ComputerNetworks，2006，50（11）：1749-1768.

[5]王剛，周銀東，梅順良.IEEE 802.1 le EDCA網(wǎng)絡模型分析[J].清華大學學報（自然科學版），2005，10（45）：1389-1392.

[6]Xiao Yang.Performance analysis of IEEE 802.1ie EDCF under saturation condition [C].IEEE International Conference on Communications， 2004（1）：20-24.

[7]Ali Hamidian， Ulf K?rner.An enhancement to the IEEE 802.11e EDCA providing QoS guarantees[J].Telecommun Syst， 2006（31）：195-212.

[8]周莉芳，翁惠玉.基于 IEEE 802.11e EDCA的接納控制方案[J].微型電腦應用，2007，2（23）：11-14.