1 IEEE 802.11e及其EDCA機制存在的問題
IEEE工作組于2005年底正式推出了IEEE 802.11e協(xié)議。該協(xié)議增強了原有的IEEE 802.11MAC信道接入方式,并支持優(yōu)先級QoS和參數(shù)化QoS；該協(xié)議中包含了兩種接入模式,即增強型分布式信道訪問EDCA（Enhanced Distributed Channel Access)與混和協(xié)調功能控制信道訪問HCCA（HCF，Controlled Channel Access)。其中，增強型分布式信道訪問(EDCA)是分布式信道訪問（DCF）的增強版，只能在競爭期 CP(Contention Period)內使用,提供了不同優(yōu)先級的QoS?；旌峡刂菩诺涝L問(HCCA)則擴展了點協(xié)調功能（PCF），在競爭期和無競爭期CFP(Contention Free Period)內均可使用,提供了參數(shù)化的QoS。
增強型分布式信道訪問（EDCA）機制是目前學者研究的熱點，與IEEE 802.11標準的DCF機制相比較其改進主要集中在兩個方面：接入控制與碰撞管理機制[3]。
(1)接入控制:在增強型分布式信道訪問(EDCA)機制模式下，傳送數(shù)據(jù)類似IEEE 802.11b的分布式協(xié)調功能（DCF），依然是基于 CSMA/CA (Carrier Sense Medium Access with Collision Avoidance)，它將IEEE 802.11b的訪問隊列AC從一個隊列變?yōu)?個不同優(yōu)先級的隊列，不同的AC有不同的任意幀間隔AIFS(Arbitrary Inter Frame Space)、競爭窗口CW(Contention Window)和傳輸機會TXOP(Transmission Opportunities)，對于各式的數(shù)據(jù)，分別進入其對應的隊列。目前的研究以4個隊列最為常見，如對于聲音、圖像、盡力而為（best effort）、背景流（backgound），有其對應的隊列和不同的參數(shù)設置表，可以讓這些隊列在競爭信道時的優(yōu)先級有差異，各隊列的傳送優(yōu)先級從高到低依次為：聲音（AC0）>圖像（AC1）>盡力而為（best effort,AC2）>背景流（backgound,AC3），這樣可以使實時性強的數(shù)據(jù)較快地得到服務。
(2)碰撞管理機制：在802.11e協(xié)議中， EDCA機制對來自不同站點的業(yè)務（隊列）之間沒有優(yōu)先級設置，它們必須通過公平競爭獲得信道。協(xié)議中除了涉及兩個不同站的隊列碰撞即真正的物理層碰撞之外，還有一種新的碰撞——虛擬碰撞，也叫內部碰撞。 虛擬碰撞中涉及的碰撞隊列來自于同一個站點，如果從某站點發(fā)出的幾個隊列，在某一時間間隙同時完成退避，站點內部的調度器會允許高優(yōu)先級發(fā)送，優(yōu)先權最高的隊列將首先訪問信道，之后其他隊列將執(zhí)行與真正的碰撞一樣的行為，且其競爭窗口增加了一倍，再次爭搶信道[4]。虛擬碰撞實現(xiàn)了隊列優(yōu)先級的區(qū)分，同時在某種程度上，加大了隊列碰撞的機率。
對于EDCA參數(shù)，802.11e標準中給出了一組建議值, 適合于大部分情況下的網絡應用。由于WLAN網絡業(yè)務是隨時變化的，在網絡規(guī)模較大且網絡拓撲（負載）變化頻繁的情況下,標準中的建議值往往不足以滿足業(yè)務需求，音視頻等實時業(yè)務也常常得不到及時的服務，且低優(yōu)先級業(yè)務受到很大的限制。因此對研究具有動態(tài)調節(jié)EDCA參數(shù)的機制就顯得尤為重要和迫切，以滿足WLAN網絡業(yè)務QoS的需要。
2 a-EDCA算法機制
802.11b網絡處于高負荷狀態(tài)時，一方面，幀頭開銷及幀間間隔占用了信道傳輸時間；另一方面，沖突頻繁，有較多的碰撞與重傳，從而使業(yè)務總吞吐量有所下降。802.11e標準中的EDCA中采用了區(qū)分優(yōu)先級的策略，是以犧牲低優(yōu)先級業(yè)務的帶寬為前提的，使低優(yōu)先級業(yè)務受到了很大的限制。當網絡規(guī)模較大且負載變化頻繁,尤其負荷變大時，網絡吞吐量嚴重下降并出現(xiàn)低谷現(xiàn)象。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是EDCA中優(yōu)先傳輸?shù)囊纛l和視頻流的幀長較短，傳輸?shù)膸蕉蹋瑤拈_銷比例就越大,且對背景流和盡力而為業(yè)務而言，AIFS與CW都較大，相當于空閑時隙增大，從而導致網絡吞吐量下降。遵循什么原則來設置或實時調整EDCA參數(shù)是目前學術界關注的熱點[5-6],但基于802.11ｅ標準參數(shù)建議值進行WLAN性能優(yōu)化的算法則不多[7]，不能滿足實際WLAN網絡業(yè)務的需要。通過對802.11ｅ標準參數(shù)建議及實際WLAN網絡業(yè)務的分析研究，筆者提出了一種自適應調節(jié)EDCA機制——adaptive-EDCA機制(a-EDCA）。該算法參數(shù)設置仍然以802.11e EDCA中默認的參數(shù)為基礎, a-EDCA算法參數(shù)設置如表1所示。
a-EDCA參數(shù)調整機制是根據(jù)網絡運行的具體條件動態(tài)地調整參數(shù) CWmin和CWmax，從而及時適應網絡負載的變化。各個接入點AP連續(xù)監(jiān)測網絡流量，通過參數(shù)調節(jié)算法確定CW的值，并廣播數(shù)據(jù)幀到內部其他站點，各站點在收到信息之后以更新后的參數(shù)值競爭信道，從而達到公平占用信道的目的。a-EDCA機制算法的基本思想是：接入點AP一直監(jiān)聽網絡狀態(tài)，以1 s作為時間周期來判斷網絡吞吐量的變化，引入吞吐量變化門限值為0.3 Mb/s，當檢測到吞吐量變化量達到門限值時，就及時進行調整。當網絡負載變大時，若檢測到吞吐量減小，接入點AP將各業(yè)務流窗口CW[i]減小為原來的1/2，相對延長了高優(yōu)先級業(yè)務的退避時間，縮短了低優(yōu)先級業(yè)務的退避時間，有效減少了碰撞機率。網絡負載減少時，若檢測到吞吐量減小，則同時將各業(yè)務流的退避窗口CW[i]減小為原值的1/3，減少空閑時間。若檢測到吞吐量增大，則同時將各業(yè)務流的退避窗口CW[i]增大為原值的2倍。每作一次調整，對4個隊列的窗口CWmin和CWmax同時進行同倍數(shù)的調整,所以4隊列的業(yè)務流量比例始終不變，a-EDCA機制算法流程圖如圖1所示。[!--empirenews.page--]
3 a-EDCA算法仿真分析
為了驗證a-EDCA機制算法性能，根據(jù)網絡實際應用中的具體情況，建立了模擬仿真環(huán)境，并利用網絡仿真工具對該算法進行了仿真。仿真工具選擇NS2，仿真時物理層采用802.11b，物理帶寬設為6 Mb/s，整個仿真時間為3 min。開始時假設只有2個站分別發(fā)送聲音(AC0)、圖像(AC1)、盡力而為(best effort,AC2)以及背景流4種業(yè)務流。每經過15 s，發(fā)送各業(yè)務流的移動站增長一倍。60 s時發(fā)送各業(yè)務流的移動站達到16個，即發(fā)送4種業(yè)務的站共計64個；在60 s~105 s時間段內，保持64個發(fā)送站數(shù)目不變；105 s~165 s時間段內,發(fā)送各業(yè)務流的移動站開始每隔15 s以1/2遞減，到165 s時4種業(yè)務流的移動站遞減到2個；165 s~180 s時間段內,各業(yè)務流移動站沒有增減變化。分別對a-EDCA、EDCA算法的整體吞吐量及a-EDCA、EDCA算法4種業(yè)務流的吞吐量進行了仿真，仿真結果如圖2、圖3及圖4所示。圖3、4中AC0為聲音，AC1為圖像，AC2為盡力而為, AC3為背景流。
從圖2的仿真結果可以看出，a-EDCA使整個網絡的吞吐量基本穩(wěn)定在5 Mb/s左右，與EDCA相比較信道利用率得到了很大的提高。從圖3與圖4的仿真結果可以看出，在a-EDCA算法中，4種業(yè)務流的比例基本保持穩(wěn)定,在為音視頻實時業(yè)務提供及時服務的前提下，保證了高低優(yōu)先級業(yè)務的公平性。
本文提出的a-EDCA算法能夠根據(jù)當前的網絡負載及業(yè)務分布情況來動態(tài)調整EDCA參數(shù)，以達到自適應網絡業(yè)務需求的目的，實現(xiàn)了網絡性能的最優(yōu)化。通過仿真分析可知，該算法在為音視頻實時業(yè)務提供及時服務的同時，保證了低優(yōu)先級業(yè)務的帶寬，提高了信道利用率。文中的站點來自于同一個站，主要是為了研究虛擬碰撞問題，不同站之間的競爭依然基于DCF機制，因此本文提出的算法在無線局域網中具有較大的推廣應用價值。
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