基于EDCA的WLAN QoS性能分析与仿真*

汤鹏杰，唐凤仙

（河池学院 计算机与信息科学系，广西 宜州 546300）

随着生活水平的提高和技术的发展，人们在体验到WLAN接入的便捷性之后，对其服务质量（QoS）也提出了更高的要求，如语音数据、视频数据及其他大量数据传输时的服务质量。由此IEEE工作委员会提出了保证WLAN QoS的802.11e标准，该标准以混合协调功能（HCF）访问方式代替了分散协调功能（DCF）和单点协调功能（PCF）访问方式。HCF以增强分布式协调访问（EDCA）扩展了DCF的功能。EDCA和传统的DCF不同，它可以为不同类型的业务提供按优先级高低的信道接入和数据传输服务。这种对业务有所区分的做法保证了高优先级的业务更加快捷地被传送，而低优先级业务则只能等待[1-2]。

本文通过改变相应的参数来改善EDCA的性能，并通过仿真实验验证了所设参数是非常有效的，不仅缩短了接入延迟，也提高了整个网络的吞吐量。

1 EDCA协议

不同于DCF中所有的流量共享一个共同的队列，EDCA定义了 4个传输队列，也称为访问类别（AC），分别为背景流量（Background Traffic）、尽力而为流量（Best Effort Traffic）、视频流量 （Video Traffic）和语音流量（Voice Traffic）。通过改变相应的访问类别参数，可以实现不同的访问类别[3-5]。这些参数包括竞争窗口的长度、退避或传输之前工作站的等待时间以及工作站接入媒介后的传输时间。

竞争窗口用来在工作站接入媒介之前计算退避时间片的个数，可以使用CWmin和CWmax来表示竞争窗口的最小值和最大值，通过改变 CWmin和 CWmax的值，可以为相关的访问类别赋予一个较高的优先级[6]。

EDCA中还定义了仲裁帧间间隔数（AIFSN）来表示在工作站开始传输数据或调用退避算法之前推迟一个短帧帧间间隔（SIFS）后的时槽个数[7]。AIFSN会影响仲裁帧间间隔（AIFS），因此，为 AIFSN设定一个较小的值也可以为相关的访问类别赋予一个高的优先级。

发送机会限制（TXOP）也是 EDCA用于确定访问类别优先级的一个重要参数。它可以定义工作站一次发送的最大数据长度，如果需要发送的数据长度超过了TXOP的限制，也可以将本段数据分多次发送。如果给TXOP设置一个较大的值，则相应的访问类别优先级也越高。

每个AC在竞争TXOP时都是独立的，一旦某个AC发现传输媒介上至少一个AIFS[AC]空闲，则其立即启动退避计时器开始计时；如果在同一个工作站中有两个或以上的AC在同一时槽中发送数据，则会产生和物理媒介上信号碰撞相似的冲突。

一般 情况下 ，EDCA 的 CWmin、CWmax、AIFS 和 TXOP 4个参数要根据具体的应用结合起来使用才有意义[8]。

2 性能仿真与分析

为验证DECA的性能，本文使用OPNET设计了仿真程序。在默认情况下，EDCA中各接入类别的参数计算按如以下公式进行。

设变量t为2的整数次方，其初值为2。若AC是Voice类型，则有：

若AC是Video类型，则有：

若AC是Best Effort类型，则有：

若AC是Background类型，则有：

其中，phy_cw_min是在仿真之前所设置的CWmin的值，phy_cw_max是CWmax的值。这样设置是为了保证具有高优先级的AC比较低优先级的AC更早地发送数据。CW越短，则其优先级越高，而对于某个AC，其 CW的取值是在CWmin～CWmax之间。对于以上公式，可以看出，Voice类型的数据优先级最高，其CWmax的值等于Video类型数据的CWmin的值，而Video类型的CW都小于Background类型和Best Effort类型的CW，从而保证了Voice的CW在所有AC中一直具有最小值。

对于TXOPlimit参数，它用于规定某个AC占用信道的权值，其值越大，则当前AC可占用信道时间越长。仿真时设置TXOPlimit值的公式如下：

AIFS也是一个衡量某个AC优先级的重要参数。对于不同的AC数据帧，具有不同的帧间隔。某个AC要发送数据之前必须等待一个AIFS的时间间隔，并启动退避过程。退避时间为（1，CW[AC]+1）个时槽。AIFS值按以下公式进行计算：

图1为仿真场景。场景中共有4个工作站，其中node_0是无线接入点（AP），负责发送数据，其他工作站为普通站点，负责接收数据。4个工作站中，不设访问类别，由工作站自己选择。

表1是仿真开始前设置的EDCA初始参数。

表1 EDCA初始参数

仿真开始前，设置种子数为128，仿真时间是15 h。图2和图3分别是收集到的平均延迟时间和平均吞吐量。从仿真结果可以看出，其平均延迟时间接近0.001 5 s，吞吐量将稳定在2 200 b/s。

3 改进的EDCA性能分析与仿真

为改善其性能，可以修改竞争窗口CW公式中的部分参数，以得到更佳的参数组合，提高性能。经过多次实验，得出以下结论，可以设置Voice的CW：

设置Video的CW：

设置 Best Effort的 CW：

设置Background的CW：

初始参数设置不变，得到的仿真结果如图4和图5所示。从图4和图5可以看出，改进后的平均延迟时间接近于0.001 3 s，比改进前延迟时间少了近0.000 2 s；改进后吞吐量为2 400 b/s，峰值更是在2 600 b/s以上，平均比改进前的吞吐量快了近200 b/s。

而如果设置各AC的CW计算公式中t的整数次方超过原计算式中的3倍，则性能不会再有提升。

本文通过分析EDCA协议的工作机制，指出为AC设置不同的EDCA参数可以改善其网络性能、提高吞吐率并减少接入延迟。仿真结果表明，通过改变CW计算公式的部分参数，其延迟减少了近1/7，而吞吐率提高了1/11左右，改善了整个网络的性能。

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

[2]毛建兵，毛玉明，冷甦鹏，等.支持 QoS的IEEE 802.11 EDCA 性能研究[J].软件学报，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]王刚，周银东，梅顺良.IEEE 802.1 le EDCA网络模型分析[J].清华大学学报（自然科学版），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 Körner.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的接纳控制方案[J].微型电脑应用，2007，2（23）：11-14.