虚拟载波侦听机制对EDCA性能的影响*

张 牧，严军荣

（1.贵阳学院计算机科学系 贵阳 550005；2.杭州电子科技大学通信学院 杭州 310018）

虚拟载波侦听机制对EDCA性能的影响*

张 牧1，严军荣2

（1.贵阳学院计算机科学系 贵阳 550005；2.杭州电子科技大学通信学院 杭州 310018）

本文研究虚拟载波侦听机制对EDCA机制性能的负面影响。首先指出在RTS/CTS 4次握手不能够完成时，虚拟载波侦听机制中网络分配矢量（NAV）会浪费信道资源；然后讨论了NAV设置影响EDCA性能的关键参数，并得出该参数在采用与不采用NAV清除机制以及没有考虑NAV设置影响情况下的取值；最后在不同访问类别（AC）下仿真显示EDCA机制的吞吐性能。很明显，虚拟载波侦听机制的NAV设置对EDCA吞吐性能会产生很大的影响，采用NAV清除机制的性能优于不采用NAV清除机制的性能。

无线局域网；EDCA；虚拟载波侦听；网络分配矢量

* 国家“863”基金资助项目（2009AA01Z202， 2009AA01Z212）；江苏省自然科学基金资助项目（BK2007603）；贵州省科技厅工业攻关项目(No.(2008)3034)；贵阳市人才创新基金资助项目；贵阳市科技局信息化专项项目

1 引言

IEEE802.11e标准定义的EDCA机制[1]（Draft 5.0之前称为EDCF）是在IEEE802.11标准的DCF机制基础上增加QoS支持。EDCA主要采用了优先级分类策略，指定语音、视频、尽力而为和后台等4种服务类型来对应不同优先级的访问类别(AC)。在一个QSTA内可以同时有4个传送队列（对应4种AC业务和4个随机退避状态机EDCAF[AC]）。同时，EDCA还提出了内部虚拟冲突解决方案。

EDCA机制的性能研究主要以DCF机制的相关研究为基础。Hui[2,3]把Bianchi[4]提出的一种用来计算饱和条件下DCF吞吐率的二维Markov链模型与Cali[5,6]提出的一种p坚持的Markov链模型和Tay[7]的平均值数学模型（DCF机制的3种主流研究模型）统一起来提出的一种模型，对EDCA的吞吐率和时延进行分析，该模型的缺点是每个QSTA内仅考虑了一个AC队列。Xiao[8,9]在Bianchi[4]和Ziouva[10]模型基础上，通过区分竞争窗口（CW）提出DCF和EDCF基于退避的优先级策略，缺点是没有考虑不同AIFS和内部虚拟冲突。参考文献 [11]提出考虑虚拟冲突的EDCA性能分析，不足之处是把AC仅分为高和低两类优先级。参考文献[12]在Bianchi的二维Markov链模型基础上，通过构造EDCAF[AC]和简单EDCA模型，从而构造出综合内部虚拟冲突和外部冲突的复杂EDCA模型。经过近5年的研究和积累，EDCA机制的研究步入成熟。但是理论研究中仍然存在着明显不足，绝大多数参考文献并没有考虑虚拟载波侦听（V-CS）机制对EDCA性能的影响。

本文在参考文献[12]的基础上，进一步研究虚拟载波侦听机制中NAV设置对EDCA的性能影响。为直观地显示NAV设置对4种AC吞吐率的影响，采用参考文献[12]中EDCAF[AC]模型进行分析和仿真。

2 虚拟载波侦听的NAV设置

为了避免无线冲突，IEEE802.11 MAC层协议采用物理载波侦听和虚拟载波侦听相结合的方式。其中，虚拟载波侦听通过设置NAV来实现。IEEE802.11中定义的NAV设置原理如图1所示。其中，图1（a）显示在RTS成功发送后，为每个数据包设置NAV来保护信道，直到收到相应的ACK为止；图1（b）显示在RTS/CTS 4次握手不能完成时，IEEE802.11中可选的NAV清除机制。

很明显，在正常传输的情况下，设置NAV不会影响EDCA机制的性能。但是，在RTS/CTS 4次握手不能够完成的情况下，由于无线信道不能及时释放，设置NAV反而会加剧EDCA机制的吞吐率损失。采用与不采用NAV清除机制对EDCA的性能影响相差很大。

3EDCAF[AC]模型及NAV影响

为直观显示NAV设置对4种AC吞吐率的影响，本文采用参考文献[12]中EDCAF[AC]模型进行分析和仿真，即每个QSTA内仅有1个EDCAF[AC]且所有QSTA内的EDCAF[AC]为同种AC的情形。

本文模型的假设条件是：理想信道，不考虑传输错误，只考虑协议本身的性能，只要出现任意长度的帧重叠就是发生冲突；数据帧的重传次数不受限制，直到成功发送为止；无论数据帧发送或重传多少次，其发生冲突的概率恒定且相互独立；每个EDCAF[AC]或QSTA始终有数据帧要发送（饱和状态）并且数据帧到达（包括新数据帧和重发数据帧）是泊松过程；QSTA的移动是有限的，忽略QSTA发送和接收数据帧时的位置变化。

式（6）涉及两个重要参数：成功发送时间Tsj和冲突时间Tcj。根据EDCA机制原理，不同AC中成功发送时间Tsj=AIFS[AC]+RTS+δ+SIFS+CTS+δ+SIFS+H+E[P]+δ+SIFS+ACK+δ。其中，δ为传播时延，H=物理层帧头+MAC层帧头。而冲突时间Tcj的取值则受到NAV设置的影响。

本文分3种情况讨论发生无线冲突后的NAV设置。

（1）采用NAV清除机制

冲突发生后，NAV设置并不做任何改变。一直等到NAV设置中duration域值自动递减为0后，才开始重新使用信道，很明显发生冲突后这段时间的信道完全浪费了。此时，冲突时间Tcj=Tsj。

（2）不采用NAV清除机制

节点使用最近的RTS帧来更新它的NAV，如果在2SIFS+CTS+2σ+δ的时间内没有监测到信号，则清除它的NAV。相对无NAV清除机制的情况，发生冲突后浪费的信道时间相对要小。此时，冲突时间Tcj=AIFS[AC]+RTS+δ+2SIFS+CTS+2σ。

（3）没有考虑NAV设置影响

现有的参考文献中通常考虑EDCA机制本身的性能，并没有考虑NAV设置对EDCA性能的影响，甚至于不考虑隐藏终端问题。通常，Tcj=AIFS[AC]+RTS+δ。

4 仿真结果比较

4.1 仿真数据

本仿真采用IEEE802.11b的DSSS系统[13]，参数见表1。其中，MAC header为MAC报头和帧校验序列长度，取值为32 byte。EDCA机制仿真数据见表2，从表中可以看出mj=5。

表1 DSSS系统参数

表2 EDCA机制仿真数据

4.2 EDCA吞吐率比较

仿真EDCA机制4种AC在3种NAV设置下的归一化吞吐率如图3所示。为便于比较，仿真参数中AC3和AC2的仲裁帧间间隔（AIFS）值相同，AC1和AC0的 AIFS值相同，但是各AC的竞争窗口（CW）设置不同。因此，在不考虑NAV设置（无NAV）的情况下，AC3和AC2的仿真结果很接近，AC1和AC0的仿真结果很接近。

很明显，在相同AC下，发生冲突后，不考虑NAV设置的吞吐率最大，其次是采用清除机制NAV（有NAV）的吞吐率，不采用清除机制NAV（无NAV）的吞吐率最低。其中，采用清除机制NAV的吞吐率相比不考虑NAV设置的吞吐率有所下降，但是不采用清除机制NAV的吞吐率则严重下降。

比较4种AC，随着优先级的降低，即随着AIFS和CW的增大，相对于不考虑NAV设置的情况，采用清除机制和不采用清除机制的吞吐率下降幅度逐渐变小。尤其是在AC1和AC0中，采用清除机制NAV的吞吐率与不考虑NAV设置的情形相差并不大。

5 结束语

本文分析了虚拟载波侦听机制中设置NAV对EDCA机制性能的影响。由于现有的EDCA机制性能分析模型中并没有考虑虚拟载波侦听机制的负面影响，因此EDCA的理论研究中存在着明显的不足。本文研究了虚拟载波侦听机制中NAV设置在采用与不采用NAV清除机制时EDCA机制的吞吐性能，同时在不同AC下与没有考虑NAV设置影响情况下的吞吐率进行比较。仿真结果显示NAV设置对EDCA机制的吞吐性能会产生很大影响，尤其是在不采用清除机制的情况下。采用清除机制的NAV设置能够减小虚拟载波侦听机制对EDCA性能的负面影响。

1 IEEE802.11e.Wireless LAN medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications-amendment 8.Medium Access Control (MAC)Quality of Service Enhancements.Nov 11,2005

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

6 Cali F,Conti M,Gregori E.Dynamic tuning of the IEEE802.11 protocol to achieve a theoretical throughput limit.IEEE/ACM Transaction on Networking,2000,8(6):785～799

7 Tay Y C,Chua K C.A capacity analysis for the IEEE802.11 MAC protocol.Wireless Network,2001,7(2):159～171

8 Xiao Y.Performance analysis of IEEE 802.11e EDCF under saturation condition.In:IEEE InternationalConference on Communications,Paris,France,Jun 22,2004

9 Xiao Y.A simple and effective priority scheme for IEEE802.11.IEEE Communications Letters,2003,7(2):70～72

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 严军荣,张顺颐,龙华等.一种EDCA机制分析模型.电子与信息学报,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）

张牧，博士，贵阳学院计算机科学系副教授，主要研究方向为计算机网络；严军荣，博士，杭州电子科学大学通信学院讲师，主要研究方向为无线通信网。