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WLAN上的多媒体业务质量研究
徐春莹
（北京邮电大学 北京 100876）

摘要： 随着无线网络的迅速发展，网络上的业务流量与日俱增，如何保证无线局城网实时业务服务质量的问题也越来越突出。本文分别介绍了IEEE 802.11中的MAC层协议和 802.1le标准中所采纳的改进方式，通过对比分析DFC和EDCF的性能特性，指出了802．11e标准对MAC层所做的改进。
关键词：WLAN、802.11、802.11e、DFC、EDFC

引言
近年来,随着数据业务需求的不断增加，以IEEE 802.11协议为基础的无线局域网(WLAN)的研究正逐渐成为人们研究的热点。随着这项技术的普及和其传输速率的不断提高，用户对WLAN 中的视频、音频和VoIP 等多媒体传输业务提出了要求。这些业务一般都是时间敏感的，WLAN 要想成为无线多媒体网络，就必须提供服务质量(QoS)的保证。为此，IEEE成立了802.11e工作组负责802.11 WLAN的QoS工作，其目的是通过增强802.11 WLAN 的MAC 协议，扩展对业务的QoS 支持，同时提高网络的容量和效率。
本文通过研究基于802.11DFC以及802.11eEDFC两种协议上的业务质量，对其建模、仿真，并分析数据结果，体现了802.11e标准对MAC层所做的改进。

1 IEEE 802.11标准
1.1 802.11分布协调功能DFC
IEEE 802.11有两种方式，即分布协调功能DCF(Distributed Coordination Funtion)和点协调功能PCF(Point Coordination Funtion)。DCF是IEEE 802.11最基本的媒体访问方法，用于Ad Hoc和Infrastructure网络结构中。
在DCF模式下，每个移动终端(MT)在发送数据前要先检测信道是否空闲。如果在一个DCF帧间间隔(DIFS)内MT检测到信道空闲，则立即发送数据。如果检测到信道状态为“忙”，MT将会推迟对信道使用权的竞争，一直延迟到现行的传输结束为止。在延迟之后，该MT要经过一个随机退避(backof)时间重新竞争对信道的使用权。随机退避时间的长度是一个时隙(SlotTime)的整数倍。确切地说，就是MT选择了一个介于0和CW之间的随机数。每个MT都维持着这样一个竞争窗(Contention Window, CW)来决定本站点在延迟之后必须等待的时间间隔。如果MT在一个SlotTime间隔内检测到信道空闲，退避时间定时器将减小退避时间，退避时间定时器一归零，MT就开始发送数据。成功接收到一帧数据后，接收站点立刻发送一个确认帧(ACK)通知发送端该帧数据发送成功。如果发送失败，则认为发生了冲突。在任意一次传输失败后，CW的尺寸将增加1倍并启动一个新的随机退避规程。该过程将会一直持续下去，直至传输成功或放弃本次传输。

1.2 IEEE 802.11e增强型分布式协调功能EDCF
IEEE 802.11e提供的是IEEE 802.11的MAC层增强机制，改善了802.11协议对于QoS的支持，因此,其MAC层功能是协议的核心。它引入了EDCF和HCF两张机制。在802.1le中，超帧仍然有两个部分，即一个CP和一个CFP，两者按时间轮流交替。EDCF仅仅在CP中使用。
EDCF使用业务类别(TC)，为站点提供了可区分的、分布式接入信道的8 个优先级。这些优先级分别对应不同的TC。 EDCF同时也定义了接入类别(AC),它在站点内部提供了对不同优先级分组的分类支持。每个站点中都可以有4 种AC 来支持用户的优先级。其中一个AC可以对应一个或者多个优先级。站点需要根据待传数据帧的AC来接入信道。表1中给出了TC优先级到AC的映射。

在EDCF中每个AC都是DCF变体,使用一套组信道访问参数去竞争传输机会(TxOP)。TxOP表示当一个站点被获准向信道发起传输的一段时间间隔。具有高优先级的AC被指定给更小的竞争窗口(CW)，以保证高优先级比低优先级的AC 能优先发送。可以通过对AC设置竞争窗口限界(CWmin[AC]，CWmax[AC])来得到这种接入优先。为了进一步进行服务的区分，不同的AC采用不同的帧间隔。802.11 DCF中如果一个站点要开始一个数据帧的发送过程，必须在DIFS时段里信道应该保持空闲。在EDCF中，DIFS被AIFS[AC]代替，并且AIFS[AC] ≥DIFS。AIFS[AC]计算公式如下：AIFS[AC] = SIFS +AIFSN[AC]×时隙，其中AIFSN[AC]是一个正整数，时隙是和物理层相关的时间长度。
如果一个使用EDCF的站点在准备发送的时候发现信道忙，则开始推迟发送，直到信道空闲。推迟结束后，再等待AIFS[AC]时段，然后启动一个退避过程。退避间隔是[1,CW[AC]+1]内的一个随机数。在EDCF中引入了一个坚持因子PF，来调节窗口变化的幅度。在IEEE802.11中，相当于PF恒等于2。在802.11e中，对于不同的AC，采用不同的PF，即CW[AC] = min((原CW[AC] + 1)×PF - 1,CWmax[AC]). EDCF 信道接入定时图如图1所示。

图1 EDCF信道接入定时图
在EDCF站点中，每一个AC都类似一个虚拟站点，通过竞争独立地接入信道。 当一个站点内部有多个AC同时准备发送的时候，就会产生所谓的“虚拟碰撞”。解决的办法是拥有最高优先级的站点将获得TxOP，而来自低优先级AC的发送，需要像真正在信道上发生了冲突一样进行退避。如图2 所示为参考实现模型。EDCF 通过引入TC来实现对QoS的支持，MAC业务数据单元的传送通过一个站点内多个发送进程实现。每一个发送进程都使用与TC 相关的参数。

图2 EDCF参考实现模型

2 仿真与结果分析
2.1 仿真建模及参数设置
本文仿真采用的软件是离散事件仿真器NS2的2.30版本，在Windows XP的Cygwin平台上进行仿真，其中安装了对802.11e协议支持的补丁包。
网络拓扑采用了Infrastructure的网络结构，由一台AP通过无线媒质与若干台移动终端MT相连，均由MT向AP发送业务流。其中有m台MT发送语音流，n台MT发送数据流。其网络拓扑图如图3所示。

图3 网络仿真拓扑图
这里物理层采用的是802.11b DSSS在此信道的总带宽采用11Mbit/s。语音流和数据流的到达模型均分服从泊松分布。语音流的呼叫驻留时间模型服从负指数分布，数据流的流量模型服从佩瑞特分布。由于语音业务是一种实时性很强的业务，它可以忍受较高的误码率和分组丢失率，但对时延却有严格的要求，且其占用的带宽一定，因此设置语音流为CBR流，遵从UDP协议。而数据业务可以容忍时延，但对误码率和分组丢失率非常敏感，因此对其设置为遵从TCP协议。其具体的EDCF参数配置见表2。
表2 EDFC参数配置

网络的负载有高、中、低之分，分别对应设置m=6,n=3;m=4, n=2;m=2, n=1三种情况。
对比在DCF和EDCF两种方式下语音、数据分别的时延和丢包率。选择这两个性能参数是因为它们对于研究业务的QoS至关重要。

2.2 仿真结果
（1）低负荷仿真
在低业务负荷的仿真场景里，语音流的数目是2个，数据流的数目是1个。图4为在DFC和EDFC下语音时延的对比图。图5为在DFC和EDFC下数据时延的对比图。其中横坐标为发送时间，纵坐标为延迟时间。

图4 图5
在DFC下，语音的丢包率约为0.083%，数据的丢包率约为0。而在EDFC中，语音的丢包率减小到0，数据的丢包率为0。
我们可以看出，在业务流数目很少的情况下，无论是语音业务还是数据业务，它们的性能都是令人满意的，延迟时间短，且几乎没有丢包。并且通过采用EDCF制式，语音的业务性能获得进一步的改善，延迟时间更短，丢包率也减小到0,而数据业务的性能几乎没有改变。
（2）中负荷仿真
在中业务负荷的仿真场景里，语音流的数目是4个，数据流的数目是2个。图6为在DFC和EDFC下语音时延的对比图。图7为在DFC和EDFC下数据时延的对比图。其中横坐标为发送时间，纵坐标为延迟时间。

图6 图7
在DFC下，语音的丢包率约为1.143%，数据的丢包率约为0.954%。而在EDFC中，语音的丢包率减小到0.642%，数据的丢包率增加到0.997%。
当业务数目有所增加时，我们看出，语音和数据业务的性能都有所下降，特别是丢包率的增加引起我们的关注。这时，语音的丢包率已经大于1%，但通过提高它的优先级，我们减小了语音的丢包率，保证了语音的QoS，而且也没有太多地牺牲数据业务的服务质量。
（3）高负荷仿真
在高业务负荷的仿真场景里，语音流的数目是6个，数据流的数目是3个。图8为在DFC和EDFC下语音时延的对比图。图9为在DFC和EDFC下数据时延的对比图。其中横坐标为发送时间，纵坐标为延迟时间。

图8 图9
在DFC下，语音的丢包率约为5.489%，数据的丢包率约为1.818%。而在EDFC中，语音的丢包率减小到2.058%，数据的丢包率到3.117%。
业务数目进一步增加到高负荷情况时，两种业务的性能都明显下降（主要体现在丢包率问题上），已经不能满足用户需求。但通过牺牲数据业务，语音业务的性能有显著改善。

2.3 仿真分析
这里，我们首先注意到，在DFC机制下，语音业务的延迟时间总小于数据业务，而其丢包率大于数据业务。这是因为语音采用的是UDP协议，而数据采用了TCP。我们知道，TCP提供高可靠服务，而UDP提供高效服务。TCP本身是一种面向连接的协议，同时它自带检错纠错和自动重发功能，并且当网络发生拥塞时，TCP能够主动降低发送速率，使拥塞现象缓解，因此，采用TCP的数据业务的时延会相对而言较大，但它的丢包率较低。UDP是一种无保证的协议，没有任何检错重发等功能，且当网络拥塞时，UDP对此并不作出任何反映，因此采用UDP的语音业务时延小，但丢包率大。
当采用了EDCF方式后，由仿真结果我们可以看出，无论是在高、中、低负荷的环境下，对于高优先级的语音业务的性能改善都有显著效果，既降低了延迟时间，又减少了丢包率。但是，随着用户数的逐渐增加，其业务质量呈现下降趋势，其中延迟时间的变化并不十分明显，但丢包率的增大（在低负荷环境下为0，但在高负荷环境下增加到2.058%）使得QoS逐渐不能满足用户的要求。相对于语音业务，采用EDCF制式对于数据业务的QoS呈现出相反的表现，这在延迟和丢包率方面都有所体现。由于数据业务对延迟有一定的容忍性，因此其仿真得出的延迟时间尚可接受，但它对误码率和分组丢失率非常敏感，这里我们没有进行误码率的研究，仅仅对分组丢失率进行了仿真，可以看出EDFC下数据的丢包率相对于DFC都有所增长。
对比高、中、低三种负荷环境下的情况：在低负荷中，无论语音还是数据的性能都令人满意，都有较短的延迟和几乎为0的丢包，使得网络完全可以满足用户的QoS需求，采用了EDFC后也基本没有牺牲数据业务的服务能力，这也充分说明只要有足够的带宽，QoS就能有所保证，带宽是根本；在中负荷环境下，两种业务的性能都有所下降，但对于语音业务而言更为重要的时延和对于数据业务更为重要的丢包率都还在可接受范围，此时在EDFC下已经需要牺牲数据业务的性能来提升语音业务的服务质量；到了高负荷下，两者的性能急剧下降，已经不能满足用户对业务的QoS需求，这是由于业务数目增加，竞争加剧，导致冲突次数增多，分配给每个用户的带宽减少所致，此时，为了换回语音业务的时延和丢包率，牺牲了数据服务能力（丢包率从1.818%上升到3.117%，时延也有所增加）。由此可见，合理地控制网络中业务数对于保证各项业务的QoS至关重要。
由于此次仿真研究的目的是考察802.11e协议通过增设优先级，对于优先级高的业务的QoS改善与否以及改善程度。这里我们可以看到，通过设置语音业务的优先级高于数据业务，显著改善了语音业务的QoS。特别是降低了延迟时间，这对于语音这种实时性很强的业务而言，是极具价值的。同时，使用EDFC方式，对于数据业务的性能有一定的牺牲，但不十分明显。可以这样理解，802.11e的EDFC制式，在付出代价较低的情况下，获得了高优先级业务QoS提升的好处。这样的结果是令人满意的,同时也达到了此次仿真的目的。

3 结论
IEEE 802.11e提供的是IEEE 802.11的MAC层增强机制。由仿真结果可以看出，EDFC机制通过抑制低优先级站点的服务来提升高优先级站点的服务能力。同时，802.11e还提供了一种HCF信道访问机制，可以同时工作于CP和CFP的超帧中，获得高优先级业务的性能改善。然而，由于IEEE 802．1le至今还没有从工程实现的角度解决CP时期相同优先级之间的冲突问题和CFP时期的空包轮询浪费问题，它对WLAN支持多媒体业务的QoS尚有提升的空间。下一步工作将着重考虑以上提出的两个问题，研究解决方案，以期进一步改善多媒体业务的QoS。

[参考文献]
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IEEE 802.11 – 1999
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张连波 方旭明, 802.11e EDCF信道接入机制的仿真研究, 西安交通大学学报,