802.11b DCF 协议和 802.11e EDCA 协议性能仿真与分析

谢 佳，徐山峰

(中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引言

流媒体是多媒体的一种，它指的是采用流式传输的方式在Internet播放的媒体格式。流媒体又叫流式媒体，它是指商家用一个视频传送服务器把节目当成数据包发出，传送到网络上。用户通过解压设备对这些数据进行解压后，节目就会像发送前那样显示出来。

在网络上传输的各种流媒体数据，其传输的质量会因为不同的压缩参数、网络参数及网络状况而导致不同的质量。

通常会对网络上传输的流媒体产生影响的主要因素有:GOP(group of picture)pattern、压缩量化参数(quantization value)、封包长度(packet size)和封包错误率(packet error rate)。其中封包长度和封包错误率是网络上传输流媒体时的两项重要因素。

在网络上传输视频流时，封包错误率会严重影响到传输图像的质量，因为假使网络上的封包错误率太大，封包遗失的概率变大，此时因为现今的图像编码技术大部分采用阶层式的编码(Hierarchy Coding)方式，前面遗失的封包将可能导致后来的画面无法译码，造成图像串流质量变差。

网络上传输图像时，封包长度将会影响每个frame分割出来的封包数，此外，封包长度的大小本身也会影响网络上的封包错误率的大小。因此，将重点基于封包长度这个参数对流媒体通信性能进行仿真。

在无线局域网中，802.11协议族是应用非常广泛的协议族。802.11协议族采用多重存取/碰撞避免(CSMA/CA，carrier sense multiple access/collision avoidance)的方式，来降低无线信号之间碰撞的概率。

峰值信噪比(PSNR，peak to signal noise ratio)是一种较为被大众认可的图像质量评鉴客观指针。计算公式是通过比较原始图像S和目的图像D的亮度部分Y。PSNR越大表示目的图像与原始图像差距越小，画面质量越好［1，2］。对于第n个图片帧，给定一幅大小为Ncal×Nrow的数字化图像 Ys(n，i，j)和参考图像 YD(n，i，j)，其 PSNR 计算公式为［3］

式中，Vpeak=2k－1，k是对于亮度部分用几个位来表示一个像素的值。

女子被土狼袭击之后，青辰曾近距离地观察过那伤口，很深。那时与现在只隔着六七个时辰，但现在的伤口，却似乎比那时要浅着许多。青辰望向其他人，其他人似乎并没有注意到这种异象。

IEEE 802.11b是无线局域网的一个标准。其载波的频率为2.4 GHz，最大传送速度为11 M/s。IEEE 802.11b是所有无线局域网标准中最著名，也是普及最广的标准［4～6］。

IEEE 802.11e是IEEE为满足服务质量(QoS)方面的要求而制订的WLAN标准。在一些语音、视频等的传输中，QoS是非常重要的指标。在802.11MAC层，802.11e加入了QoS功能，它的分布式控制模式可提供稳定合理的服务质量，而集中控制模式可灵活支持多种服务质量策略，让影音传输能及时、定量，保证多媒体的顺畅应用，WIFI联盟将此称为 WMM(wi－fi multimedia)［7］。

本文主要针对802.11b DCF和802.11e EDCA协议的流媒体通信性能进行分析和比较。

1 协议简介

1.1 802.11b

分布式协调功能是802.11b的核心，通道的使用权通过各节点竞争来决定，由于采用CSMA/CA策略，所以传送数据前必须检测信道状态。当信道处于闲置状态，节点需要再额外等待一段时间(DIFS，distribute inter－frame space)，过了 DIFS 后，如果信道仍处于闲置状态则开始传送，否则，需要额外等待一段backoff的时间。竞争窗口(CW，contention window)的大小决定了backoff的长度，backoff的值为从0到CW间随机产生一个整数，过了DIFS时间后开始倒数，如果backoff已经倒数到0，且信道空闲，才进行传送。传送端可以通过ACK提示框来确认数据是否正确地被接收端接收［8］。分布式协调功能时序图如图1所示。

图1 分布式协调功能时序图

1.2 802.11e

802.11b对数据的重要性一视同仁，所有数据都会被放在同一个队列中等待传送，因此往往有些实时性数据无法立即被服务，而非实时性数据却占用信道。为了克服这个缺点，802.11e中定义了8个队列(AC，access category)，每个队列传送的优先权不同［9］。MAC 层的 802.11e标准对于 802.11b的改进主要包括两个方面:将分布式协调功能DCF替换为增强型分布式协调功能(EDCA);将集中式协调功能(PCF)替换为混合协调功能(HCCA)［10，11］。

不同的数据进入对应的队列进行传送。目前以4 个队列最为常见，对于 audio、video、best effort、background均有其对应的队列，不同的参数设置见表1。这些队列在竞争信道时的优先权有差异性。各队列的传送优先级为audio＞video＞best effort＞background［12］。

表1 802.11e各队列参数设定值

在增强分布式通道存取(EDCA)模式下，传送数据类似于802.11b的分布式协调功能，差别在于从1个队列变成4个队列，如图2所示。因此，在信道闲置时，各队列等待的时间由各队列的AIFS(Arbitration InterFrame Space)决定，而如果需要额外等待backoff的时间，较高优先权的队列其竞争窗口较小，故随机产生的backoff值较小，即拥有较大的概率竞争到信道的使用权。

图2 802.11b 和802.11e队列机制的比较［3］

2 仿真与分析

采用NS－2作为仿真工具，NS－2是一款功能强大的网络模拟仿真器。它是用C++和OTCL两种语言完成。C++语言编写协议执行模块，OTCL语言编写模拟任务。主要比较在802.11b和802.11e下，视频流传输的服务质量。仿真的业务场景是:在一个无线网络中有3个无线通信节点n0、n1和n2，n0传输影片数据给n1，n1传输一个FTP流给n2，n2传输一个 Exponential Traffic给 n0。在802.11e环境下，影片会被设置成video(prio_会被设置为1)，FTP流会被设置为best effort(prio_会被设置为2)，Exponential Traffic会被设置为background(prio_会被设置为3)。802.11b和802.11e的传输速率设置为 1 Mbps，路由协议采用 DSDV(Destination－Sequenced Distance－Vector)，封包长度分 别 设置为512B/640B/768B/896B/1024B。仿真结果如图3～5所示。

如图3所示，随着封包长度的增大，802.11b和802.11e的平均PSNR，即图像质量整体呈增大趋势。802.11e的平均PSNR优于802.11b，二者的差距随封包长度的增大逐步缩小。封包长度越长，图像质量越高。这是因为在同一个图像中，如果所使用的封包长度越长，代表每一个画面所需要分割的封包数越少，而此时因为封包错误率都是相同的，故与使用较短封包长度的情况相比，其遗失的封包数会较少，形成的可译码画面较多，图像质量也就较高。

如图4、5所示，802.11e在传输影片过程中的平均封包时延和最大封包时延都明显优于802.11b，802.11e通过优先权队列来区分不同的业务，大大减低了实时流媒体业务的传输时延。

从以上的模拟结果可以看出，若是影片通过802.11e中的Video Service传输，除了可以得到较好的传送质量，且平均延迟时间也会比较小。

3 结语

802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，也是目前应用最为广泛的无线局域网标准。802.11标准主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要是数据存取［13］。本文通过对 802.11b DCF 协议和802.11e EDCA协议的仿真结果进行比较，说明了802.11e EDCA协议在多媒体通信业务中的优越性。

IEEE 802.11e标准提供了目前语音和视频等应用需要的服务质量和增强的网络性能［14］。随着新应用的开发和使用，IEEE 802.11e标准获得了更加丰富的经验，毫无疑问需要进一步的研究和扩展这个协议。

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