虛擬載波偵聽機制對EDCA性能的影響*

張 牧，嚴軍榮

（1.貴陽學院計算機科學系 貴陽 550005；2.杭州電子科技大學通信學院 杭州 310018）

虛擬載波偵聽機制對EDCA性能的影響*

張 牧1，嚴軍榮2

（1.貴陽學院計算機科學系 貴陽 550005；2.杭州電子科技大學通信學院 杭州 310018）

本文研究虛擬載波偵聽機制對EDCA機制性能的負面影響。首先指出在RTS/CTS 4次握手不能夠完成時，虛擬載波偵聽機制中網絡分配矢量（NAV）會浪費信道資源；然后討論了NAV設置影響EDCA性能的關鍵參數，并得出該參數在采用與不采用NAV清除機制以及沒有考慮NAV設置影響情況下的取值；最后在不同訪問類別（AC）下仿真顯示EDCA機制的吞吐性能。很明顯，虛擬載波偵聽機制的NAV設置對EDCA吞吐性能會產生很大的影響，采用NAV清除機制的性能優于不采用NAV清除機制的性能。

無線局域網；EDCA；虛擬載波偵聽；網絡分配矢量

* 國家“863”基金資助項目（2009AA01Z202， 2009AA01Z212）；江蘇省自然科學基金資助項目（BK2007603）；貴州省科技廳工業攻關項目(No.(2008)3034)；貴陽市人才創新基金資助項目；貴陽市科技局信息化專項項目

1 引言

IEEE802.11e標準定義的EDCA機制[1]（Draft 5.0之前稱為EDCF）是在IEEE802.11標準的DCF機制基礎上增加QoS支持。EDCA主要采用了優先級分類策略，指定語音、視頻、盡力而為和后臺等4種服務類型來對應不同優先級的訪問類別(AC)。在一個QSTA內可以同時有4個傳送隊列（對應4種AC業務和4個隨機退避狀態機EDCAF[AC]）。同時，EDCA還提出了內部虛擬沖突解決方案。

EDCA機制的性能研究主要以DCF機制的相關研究為基礎。Hui[2,3]把Bianchi[4]提出的一種用來計算飽和條件下DCF吞吐率的二維Markov鏈模型與Cali[5,6]提出的一種p堅持的Markov鏈模型和Tay[7]的平均值數學模型（DCF機制的3種主流研究模型）統一起來提出的一種模型，對EDCA的吞吐率和時延進行分析，該模型的缺點是每個QSTA內僅考慮了一個AC隊列。Xiao[8,9]在Bianchi[4]和Ziouva[10]模型基礎上，通過區分競爭窗口（CW）提出DCF和EDCF基于退避的優先級策略，缺點是沒有考慮不同AIFS和內部虛擬沖突。參考文獻 [11]提出考慮虛擬沖突的EDCA性能分析，不足之處是把AC僅分為高和低兩類優先級。參考文獻[12]在Bianchi的二維Markov鏈模型基礎上，通過構造EDCAF[AC]和簡單EDCA模型，從而構造出綜合內部虛擬沖突和外部沖突的復雜EDCA模型。經過近5年的研究和積累，EDCA機制的研究步入成熟。但是理論研究中仍然存在著明顯不足，絕大多數參考文獻并沒有考慮虛擬載波偵聽（V-CS）機制對EDCA性能的影響。

本文在參考文獻[12]的基礎上，進一步研究虛擬載波偵聽機制中NAV設置對EDCA的性能影響。為直觀地顯示NAV設置對4種AC吞吐率的影響，采用參考文獻[12]中EDCAF[AC]模型進行分析和仿真。

2 虛擬載波偵聽的NAV設置

為了避免無線沖突，IEEE802.11 MAC層協議采用物理載波偵聽和虛擬載波偵聽相結合的方式。其中，虛擬載波偵聽通過設置NAV來實現。IEEE802.11中定義的NAV設置原理如圖1所示。其中，圖1（a）顯示在RTS成功發送后，為每個數據包設置NAV來保護信道，直到收到相應的ACK為止；圖1（b）顯示在RTS/CTS 4次握手不能完成時，IEEE802.11中可選的NAV清除機制。

很明顯，在正常傳輸的情況下，設置NAV不會影響EDCA機制的性能。但是，在RTS/CTS 4次握手不能夠完成的情況下，由于無線信道不能及時釋放，設置NAV反而會加劇EDCA機制的吞吐率損失。采用與不采用NAV清除機制對EDCA的性能影響相差很大。

3EDCAF[AC]模型及NAV影響

為直觀顯示NAV設置對4種AC吞吐率的影響，本文采用參考文獻[12]中EDCAF[AC]模型進行分析和仿真，即每個QSTA內僅有1個EDCAF[AC]且所有QSTA內的EDCAF[AC]為同種AC的情形。

本文模型的假設條件是：理想信道，不考慮傳輸錯誤，只考慮協議本身的性能，只要出現任意長度的幀重疊就是發生沖突；數據幀的重傳次數不受限制，直到成功發送為止；無論數據幀發送或重傳多少次，其發生沖突的概率恒定且相互獨立；每個EDCAF[AC]或QSTA始終有數據幀要發送（飽和狀態）并且數據幀到達（包括新數據幀和重發數據幀）是泊松過程；QSTA的移動是有限的，忽略QSTA發送和接收數據幀時的位置變化。

式（6）涉及兩個重要參數：成功發送時間Tsj和沖突時間Tcj。根據EDCA機制原理，不同AC中成功發送時間Tsj=AIFS[AC]+RTS+δ+SIFS+CTS+δ+SIFS+H+E[P]+δ+SIFS+ACK+δ。其中，δ為傳播時延，H=物理層幀頭+MAC層幀頭。而沖突時間Tcj的取值則受到NAV設置的影響。

本文分3種情況討論發生無線沖突后的NAV設置。

（1）采用NAV清除機制

沖突發生后，NAV設置并不做任何改變。一直等到NAV設置中duration域值自動遞減為0后，才開始重新使用信道，很明顯發生沖突后這段時間的信道完全浪費了。此時，沖突時間Tcj=Tsj。

（2）不采用NAV清除機制

節點使用最近的RTS幀來更新它的NAV，如果在2SIFS+CTS+2σ+δ的時間內沒有監測到信號，則清除它的NAV。相對無NAV清除機制的情況，發生沖突后浪費的信道時間相對要小。此時，沖突時間Tcj=AIFS[AC]+RTS+δ+2SIFS+CTS+2σ。

（3）沒有考慮NAV設置影響

現有的參考文獻中通常考慮EDCA機制本身的性能，并沒有考慮NAV設置對EDCA性能的影響，甚至于不考慮隱藏終端問題。通常，Tcj=AIFS[AC]+RTS+δ。

4 仿真結果比較

4.1 仿真數據

本仿真采用IEEE802.11b的DSSS系統[13]，參數見表1。其中，MAC header為MAC報頭和幀校驗序列長度，取值為32 byte。EDCA機制仿真數據見表2，從表中可以看出mj=5。

表1 DSSS系統參數

表2 EDCA機制仿真數據

4.2 EDCA吞吐率比較

仿真EDCA機制4種AC在3種NAV設置下的歸一化吞吐率如圖3所示。為便于比較，仿真參數中AC3和AC2的仲裁幀間間隔（AIFS）值相同，AC1和AC0的 AIFS值相同，但是各AC的競爭窗口（CW）設置不同。因此，在不考慮NAV設置（無NAV）的情況下，AC3和AC2的仿真結果很接近，AC1和AC0的仿真結果很接近。

很明顯，在相同AC下，發生沖突后，不考慮NAV設置的吞吐率最大，其次是采用清除機制NAV（有NAV）的吞吐率，不采用清除機制NAV（無NAV）的吞吐率最低。其中，采用清除機制NAV的吞吐率相比不考慮NAV設置的吞吐率有所下降，但是不采用清除機制NAV的吞吐率則嚴重下降。

比較4種AC，隨著優先級的降低，即隨著AIFS和CW的增大，相對于不考慮NAV設置的情況，采用清除機制和不采用清除機制的吞吐率下降幅度逐漸變小。尤其是在AC1和AC0中，采用清除機制NAV的吞吐率與不考慮NAV設置的情形相差并不大。

5 結束語

本文分析了虛擬載波偵聽機制中設置NAV對EDCA機制性能的影響。由于現有的EDCA機制性能分析模型中并沒有考慮虛擬載波偵聽機制的負面影響，因此EDCA的理論研究中存在著明顯的不足。本文研究了虛擬載波偵聽機制中NAV設置在采用與不采用NAV清除機制時EDCA機制的吞吐性能，同時在不同AC下與沒有考慮NAV設置影響情況下的吞吐率進行比較。仿真結果顯示NAV設置對EDCA機制的吞吐性能會產生很大影響，尤其是在不采用清除機制的情況下。采用清除機制的NAV設置能夠減小虛擬載波偵聽機制對EDCA性能的負面影響。

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 嚴軍榮,張順頤,龍華等.一種EDCA機制分析模型.電子與信息學報,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）

張牧，博士，貴陽學院計算機科學系副教授，主要研究方向為計算機網絡；嚴軍榮，博士，杭州電子科學大學通信學院講師，主要研究方向為無線通信網。