摘 要： 在保證最大" title="最大">最大容忍延時的基礎上，設計一種基于動態優先級的EDCF(DPEDCF)機制，該機制以基于指數加權滑動平均EWMA的預判算法來實現優先級的動態更新。通過仿真可以看到，在保證高優先級服務的基礎上，DPEDCF機制提高了EDCF機制在高信道負載下的性能，使所需要服務的延時盡可能小于最大容忍延時。
關鍵詞： 802.11e 服務質量" title="服務質量">服務質量 EDCF DPEDCF 預判算法
隨著科技的進步和人們要求的不斷提高，WLAN中視頻服務" title="視頻服務">視頻服務的應用越來越廣。對于視頻服務，允許其有一定的丟包，但是對于延時卻有一定要求，一般用最大容忍延時Dmax表示。H.323標準建議，語音和視頻服務的最大容忍延時為250ms，視頻電話、視頻會議等延時最好小于150ms。
在低信道負載的Ad Hoc WLAN中，現有的IEEE802.11e EDCF(Enhanced Distributed Coordination Function)機制能很好地保證視頻服務的服務質量QoS(Quality of Service)，其延時低于最大容忍延時。但是隨著信道負載的不斷增加，EDCF機制將不能保證視頻服務的QoS，其延時將超過最大容忍延時，性能將會很差。
本文基于IEEE802.11e的EDCF機制，提出一種動態優先級(Dynamic Priority)EDCF機制，以下簡稱為DPEDCF機制。通過仿真可以看到，在保證高優先級語音服務的情況下，DPEDCF機制提高了EDCF機制在高信道負載下視頻服務的性能，保證了視頻服務的QoS。
1 DPEDCF機制的設計
有學者從保證最小吞吐量要求的基礎上提出過動態優先級機制[1]，本文將從保證最大容忍延時的基礎上，設計一種新的動態優先級機制。
1.1 IEEE802.11e EDCF機制
EDCF機制是基于競爭的信道介入機制，通過引入接入優先級AP(Access Priority)來實現QoS。站點內每個隊列通過虛站(VSTA)的形式實現8種不同用戶優先級UP(User Priority)的業務流分類TC(Traffic Category)，并配以可決定其優先級的QoS參數，一旦優先級被確定將固定不變。AP和UP之間的映射關系如表1所示[2]。
1.2 DPEDCF機制的算法分析
在分析DPEDCF機制算法之前，先定義第j個信道負載更新周期內TC流的實際平均延時為D[j]。為了執行DPEDCF機制中最關鍵的預判算法，本文通過EWMA算法對第j+1個信道負載更新周期內TC流的平均延時進行估計，估計值為e{D[j+1]}，估計公式如下：
e{D[j+1]}=a·D[j]+(1-a)·e{D[j]} (1)
a為平滑因子，一般取值為0.8。
DPEDCF機制中TC流的初始優先級被設為低優先級，一般取AP＝2。
2 DPEDCF機制的預判算法分析
預判算法規則如下：
(1)當前為低優先級(AP＝2)
?、偃绻鹐{D[j+1]}≤Dmax，則第j+1個信道負載更新周期內TC流的優先級保持為AP＝2。
②如果e{D[j+1]}〉Dmax，則第j+1個信道負載更新周期內TC流的優先級更新為AP＝1。
(2)當前為中優先級(AP＝1)
?、偃绻鹐{D[j+1]}〈D21，則第j+1個信道負載更新周期內TC流的優先級更新為AP＝2。D21為AP＝2更新到AP＝1后的第一個" title="第一個">第一個信道負載更新周期內的平均延時。
?、谌绻鸇21≤e{D[j+1]}≤Dmax，則第j+1個信道負載更新周期內TC流的優先級保持為AP＝1。
③如果e{D[j+1]}〉Dmax，則第j+1個信道負載更新周期內TC流的優先級更新為AP＝0。
(3)當前為高優先級(AP＝0)
?、偃绻鹐{D[j+1]}〈D10，則第j+1個信道負載更新周期內TC流的優先級更新為AP＝1。D10為AP＝1更新到AP＝0后的第一個信道負載更新周期內的平均延時。
?、谌绻鹐{D[j+1]}≥D10，則第j+1個信道負載更新周期內TC流的優先級保持為AP＝0。
3 信道負載更新周期間隔的選擇
信道負載更新周期間隔Tupdate的選擇規則：對所研究的Ad Hoc WLAN進行分析，根據歷史經驗得到網絡每增加或減少一對負載節點對的平均時間，令信道負載更新周期間隔Tupdate=T/4。實行DPEDCF機制的節點對在第j個信道負載更新周期下持續Tupdate后，進行延時估計，得到e{D[j+1]}，根據預判算法選擇優先級，并進入第j+1個信道負載更新周期。
這里取Tupdate=T/4，使網絡增加或減少一對負載節點對時，實行DPEDCF機制的節點對一般最少可以經歷兩個階段，第一個階段進行延時檢測，第二個階段進行優先級更新。
4 仿真及其結果分析
利用NS-2工具，對本文提出的DPEDCF機制性能進行仿真。仿真基于802.11a平臺，PHY數據率選擇為36Mbps，Dmax取150ms。每個信道負載率下仿真5s，因此Tupdate設為1.25s，仿真結果為每個信道負載率下的平均值。仿真拓撲結構如圖1所示，仿真參數如表2所示。
?
?
節點2向節點3傳送視頻(Video)流，這里稱其為觀察節點對。在EDCF機制中，設定其優先級為AP＝1。在DPEDCF機制中，實行動態優先級機制。
節點0向節點1傳送高優先級(AP＝0)的語音(Audio)流，這里稱其為高優先級節點對。通過對其性能的分析得到Video流在EDCF機制和DPEDCF機制下對高優先級流的影響。其余節點對稱為負載節點對，每對負載節點對由一個發射節點和一個接收節點組成，在它們中間同時綁定Audio流、Video流和Best effort流作為負載。
仿真通過不斷增加負載節點對數來觀察高優先級節點對和觀察節點對的性能變化。信道負載率和負載節點對數量的關系如表3所示。
觀察節點對吞吐量隨信道負載率的變化如圖2所示，觀察節點對延時隨信道負載率的變化如圖3所示。從圖中可以看到：當信道負載率超過50％時，DPEDCF機制下觀察節點對的吞吐量和延時將遠遠優于EDCF機制下的性能，即使在信道負載率達到85％以上，延時超過Dmax時，DPEDCF機制下的性能也遠遠優于EDCF機制下的性能。
在圖2和圖" title="和圖">和圖3中，當信道負載率為43％時，DPEDCF機制下的性能發生突降。這是由于在此信道負載率下，低優先級TC流負載達到飽和。
?
?
圖4為觀察節點對平均接入優先級隨信道負載率變化圖。在信道負載率為43％時，DPEDCF機制下的平均接入優先級等于1.25。這表示在此信道負載率下，實行DPEDCF機制的節點優先級發生更新，且在第一個信道負載更新周期內AP＝2，在后面三個信道負載更新周期內接入優先級更新為AP＝1，因此平均接入優先級為1.25。
從圖5高優先級節點對吞吐量隨信道負載率變化和圖6高優先級節點對延時隨信道負載率變化中可以看到：隨著信道負載率的增加，DPEDCF機制下高優先級節點對的吞吐量略有下降，但延時卻有所減少，其性能基本不受影響。
?
通過仿真看到，新的DPEDCF機制在保證高優先級服務的基礎上，提高了視頻服務在高負載下的性能。
在今后的工作中，將繼續改善和優化DPEDCF中的算法，使其更精確，從而進一步提高機制的性能。
參考文獻
1 Iera A，Molinaro A，Ruggeri G et al.Improving QoS and throughput in single and multihop WLANs through dynamic traffic prioritization.Network IEEE，2005；19(4)：35～44
2 Wireless LAN medium access control(MAC) and physical lay-er(PHY) specification：Medium access control enhancements for Quality of Service(QoS).IEEE Std 802.11e/D13.0.2005
3 Ni Q，Turletti T.QoS support for IEEE 802.11 WLAN.New York，USA：Nova Science Publishers，2004
4 Mangold S.Analysis of IEEE 802.11e for QoS support in wireless LANs.IEEE on Wireless Communication Magazine，2003；10(6)：40～50
5 Choi S.IEEE 802.11e contention-based channel access(EDCF) performance evaluation.In：IEEE International Conference on Communications，ICC′03，Anchorage，AK，2003