基于802.11e EDCA的自適應參數調節機制研究
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1 IEEE 802.11e及其EDCA機制存在的問(wèn)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(fǎng)問(wèn)EDCA（Enhanced Distributed Channel Access)與混和協(xié)調功能控制信道訪(fǎng)問(wèn)HCCA（HCF，Controlled Channel Access)。其中，增強型分布式信道訪(fǎng)問(wèn)(EDCA)是分布式信道訪(fǎng)問(wèn)（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(fǎng)問(wèn)(HCCA)則擴展了點(diǎn)協(xié)調功能（PCF），在競爭期和無(wú)競爭期CFP(Contention Free Period)內均可使用,提供了參數化的QoS。
增強型分布式信道訪(fǎng)問(wèn)（EDCA）機制是目前學(xué)者研究的熱點(diǎn)，與IEEE 802.11標準的DCF機制相比較其改進(jìn)主要集中在兩個(gè)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(fǎng)問(wèn)(EDCA)機制模式下，傳送數據類(lèi)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(fǎng)問(wèn)隊列AC從一個(gè)隊列變?yōu)?個(gè)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(huì )TXOP(Transmission Opportunities)，對于各式的數據，分別進(jìn)入其對應的隊列。目前的研究以4個(gè)隊列最為常見(jiàn)，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設置表，可以讓這些隊列在競爭信道時(shí)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(shí)時(shí)性強的數據較快地得到服務(wù)。
(2)碰撞管理機制：在802.11e協(xié)議中， EDCA機制對來(lái)自不同站點(diǎn)的業(yè)務(wù)（隊列）之間沒(méi)有優(yōu)先級設置，它們必須通過(guò)公平競爭獲得信道。協(xié)議中除了涉及兩個(gè)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(lái)自于同一個(gè)站點(diǎn)，如果從某站點(diǎn)發(fā)出的幾個(gè)隊列，在某一時(shí)間間隙同時(shí)完成退避，站點(diǎn)內部的調度器會(huì )允許高優(yōu)先級發(fā)送，優(yōu)先權最高的隊列將首先訪(fǎng)問(wèn)信道，之后其他隊列將執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(shí)現了隊列優(yōu)先級的區分，同時(shí)在某種程度上，加大了隊列碰撞的機率。
對于EDCA參數，802.11e標準中給出了一組建議值, 適合于大部分情況下的網(wǎng)絡(luò )應用。由于WLAN網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)是隨時(shí)變化的，在網(wǎng)絡(luò )規模較大且網(wǎng)絡(luò )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(mǎn)足業(yè)務(wù)需求，音視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)也常常得不到及時(shí)的服務(wù)，且低優(yōu)先級業(yè)務(wù)受到很大的限制。因此對研究具有動(dòng)態(tài)調節EDCA參數的機制就顯得尤為重要和迫切，以滿(mǎn)足WLAN網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)QoS的需要。
2 a-EDCA算法機制
802.11b網(wǎng)絡(luò )處于高負荷狀態(tài)時(shí)，一方面，幀頭開(kāi)銷(xiāo)及幀間間隔占用了信道傳輸時(shí)間；另一方面，沖突頻繁，有較多的碰撞與重傳，從而使業(yè)務(wù)總吞吐量有所下降。802.11e標準中的EDCA中采用了區分優(yōu)先級的策略，是以犧牲低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的帶寬為前提的，使低優(yōu)先級業(yè)務(wù)受到了很大的限制。當網(wǎng)絡(luò )規模較大且負載變化頻繁,尤其負荷變大時(shí)，網(wǎng)絡(luò )吞吐量嚴重下降并出現低谷現象。出現這一現象的主要原因是EDCA中優(yōu)先傳輸的音頻和視頻流的幀長(cháng)較短，傳輸的幀越短，幀的開(kāi)銷(xiāo)比例就越大,且對背景流和盡力而為業(yè)務(wù)而言，AIFS與CW都較大，相當于空閑時(shí)隙增大，從而導致網(wǎng)絡(luò )吞吐量下降。遵循什么原則來(lái)設置或實(shí)時(shí)調整EDCA參數是目前學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)[5-6],但基于802.11ｅ標準參數建議值進(jìn)行WLAN性能優(yōu)化的算法則不多[7]，不能滿(mǎn)足實(shí)際WLAN網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)的需要。通過(guò)對802.11ｅ標準參數建議及實(shí)際WLAN網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)的分析研究，筆者提出了一種自適應調節EDCA機制――adaptive-EDCA機制(a-EDCA）。該算法參數設置仍然以802.11e EDCA中默認的參數為基礎, a-EDCA算法參數設置如表1所示。
a-EDCA參數調整機制是根據網(wǎng)絡(luò )運行的具體條件動(dòng)態(tài)地調整參數 CWmin和CWmax，從而及時(shí)適應網(wǎng)絡(luò )負載的變化。各個(gè)接入點(diǎn)AP連續監測網(wǎng)絡(luò )流量，通過(guò)參數調節算法確定CW的值，并廣播數據幀到內部其他站點(diǎn)，各站點(diǎn)在收到信息之后以更新后的參數值競爭信道，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(diǎn)AP一直監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)，以1 s作為時(shí)間周期來(lái)判斷網(wǎng)絡(luò )吞吐量的變化，引入吞吐量變化門(mén)限值為0.3 Mb/s，當檢測到吞吐量變化量達到門(mén)限值時(shí)，就及時(shí)進(jìn)行調整。當網(wǎng)絡(luò )負載變大時(shí)，若檢測到吞吐量減小，接入點(diǎn)AP將各業(yè)務(wù)流窗口CW[i]減小為原來(lái)的1/2，相對延長(cháng)了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的退避時(shí)間，縮短了低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的退避時(shí)間，有效減少了碰撞機率。網(wǎng)絡(luò )負載減少時(shí)，若檢測到吞吐量減小，則同時(shí)將各業(yè)務(wù)流的退避窗口CW[i]減小為原值的1/3，減少空閑時(shí)間。若檢測到吞吐量增大，則同時(shí)將各業(yè)務(wù)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(gè)隊列的窗口CWmin和CWmax同時(shí)進(jìn)行同倍數的調整,所以4隊列的業(yè)務(wù)流量比例始終不變，a-EDCA機制算法流程圖如圖1所示。
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