隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 和應(yīng)用，用戶對網(wǎng)絡(luò)的移動性和可靠性要求越來越高，基于IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)近年來得到了快速、廣泛的應(yīng)用。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點都可以同時作為接入點（AP）和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都可以與一個或者多個對等節(jié)點進(jìn)行直接通信。但由于無線網(wǎng)絡(luò)本身的特性和多種物理層傳輸技術(shù)的應(yīng)用，合適的媒體接入控制MAC 協(xié)議對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。

在無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的MAC 協(xié)議包括：CSMA/CA、DCF、PCF 等，為了在MAC 子層實現(xiàn)對不同業(yè)務(wù)流的QoS支持，IEEE 802.11e工作組在IEEE 802.11中DCF機(jī)制的基礎(chǔ)上提出了增強(qiáng)分布式信道接入機(jī)制（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA），使得無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以更好地提供音頻和視頻業(yè)務(wù)的服務(wù)。

EDCA 將不同的業(yè)務(wù)流分為4 個不同的優(yōu)先等級AC（Access Categories），每一個AC 對應(yīng)一個隊列，通過設(shè)置仲裁幀間間隔（Arbitration Interframe Space，AIFS）、最小競爭窗口值CWmin、最大競爭窗口CWmax和傳輸機(jī)會TXOP（Transmission Opportunity）4個 參數(shù)值實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)流間的業(yè)務(wù)區(qū)分。文獻(xiàn)研究表明，由于無線網(wǎng)絡(luò)狀況的移動性和復(fù)雜性，EDCA 算法中4個參數(shù)的靜態(tài)設(shè)置并不能使無線網(wǎng)絡(luò)的性能實現(xiàn)最優(yōu)，特別在高負(fù)載或突發(fā)業(yè)務(wù)量較大的狀況下，由于無線網(wǎng)絡(luò)中有較高的沖突率，EDCA 的網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降，無法滿足網(wǎng)絡(luò)用戶的要求。也有相關(guān)研究通過CW 的自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制及相關(guān)退避算法的改進(jìn)，如Lamia Romdhani 提出的AEDCF 機(jī)制（Adaptive EDCF，AEDCF）；Younggoo Kwon提出的快速碰撞解決機(jī)制（Fast Collision Resolutio，F(xiàn)CR）等，使得EDCA算法更適合無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。但這些研究都沒有考慮EDCA 算法本身及參數(shù)AIFS、CWmin、CWmax和TXOP調(diào)整后對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)公平性（節(jié)點間和不同業(yè)務(wù)流間）帶來的影響。

本文提出了一種基于公平的EDCA 算法（Fairness-based EDCA，F(xiàn)EDCA）。FEDCA算法的基本思想是通過加權(quán)輪詢的方式確定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接入類別和本次信道偵聽的時間，通過公平因子的計算確定TXOP 參數(shù)，以達(dá)到保證網(wǎng)絡(luò)公平性的條件下提高網(wǎng)絡(luò)性能和QoS保證的目的。并通過仿真結(jié)果驗證該算法的可行性。

1 EDCA算法

EDCA 是IEEE 802.11e工作組在IEEE 802.11 協(xié)議中DCF機(jī)制基礎(chǔ)上進(jìn)行QoS支持提出的，其基本 的接入信道方式與DCF保持一致，各移動節(jié)點以CSMA/CA 方式通過競爭獲得信道接入的機(jī)會。同時EDCA 提供了不同類型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩喾N信道接入類別AC，可以實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的服務(wù)區(qū)分。

1.1 EDCA算法簡介

為保證不同業(yè)務(wù)的不同QoS要求，EDCA算法定義了上層的8類業(yè)務(wù)類別（Traffic Category，TC）和本層的4類基于IEEE 802.1D的接入類別（Access Category，AC），8類TC分別映射至4類AC的隊列中：AC_VO，AC_VI，AC_BE和AC_BK，分別代表語音（Voice）類，視頻（Video）類，盡力而為（Best Effort）類和背景（Background）類的業(yè)務(wù)。為實現(xiàn)4個AC隊列不同優(yōu)先級的區(qū)別，定義了4個參數(shù)：仲裁幀間間隔AIFS、最小競爭窗口值CWmin、最大競爭窗口CWmax和傳輸機(jī)會TXOP。不同的AC通過不同的參數(shù)設(shè)置，控制其接入信道的過程，從而實現(xiàn)了不同業(yè)務(wù)類型的區(qū)分。

某一移動節(jié)點通過兩個階段實現(xiàn)一個AC隊列內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送。首先在一個節(jié)點內(nèi)部爭奪傳輸機(jī)會TXOP，獲得傳輸機(jī)會的隊列才有可能獲得信道接入的機(jī)會。其次，獲得信道接入機(jī)會的分組再在不同的節(jié)點間通過CSMA/CA 方式獲得信道接入機(jī)會才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。EDCA算法完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)谝浑A段的任務(wù)：不同隊列通過競爭獲得傳輸機(jī)會。

IEEE 802.11e EDCA的基本訪問機(jī)制如圖1所示。

圖1 IEEE 802.11e EDCA的基本訪問機(jī)制

當(dāng)因競爭信道發(fā)生沖突時，就進(jìn)入退避過程。在此過程中，將退避計數(shù)器Backoff Timer置為［0，CW［AC］］范圍內(nèi)的任一整數(shù)值：Backoff_Timer（BT）=uniform［0，CW］×aSlotTime。CW［AC］的初始值設(shè)為CWmin［AC］。當(dāng)發(fā)生碰撞時，CW［AC］的值就增加為（CW［AC］+1）×2-1，當(dāng)CW［AC］增加到CWmax［AC］時，就維持CWmax［AC］的值不變，不再增加。當(dāng)數(shù)據(jù)幀成功發(fā)送之后，將CW［AC］的值重置為CWmin［AC］，繼續(xù)偵聽信道。退避計時器每檢測到一個空閑時隙，其值（BT）減1，最先減到零的數(shù)據(jù)幀占用信道，若節(jié)點內(nèi)多個AC的退避計時器同時減到零，則較高優(yōu)先級隊列的數(shù)據(jù)幀將占用信道，其他數(shù)據(jù)幀又進(jìn)入新一輪的退避過程。

1.2 EDCA算法分析

從圖1 中可以看出，較高優(yōu)先級的AC 通過設(shè)置較小的AIFS、CWmin 和CWmax 將優(yōu)先獲得無線信 道的訪問權(quán)，從而實現(xiàn)不同不同業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)區(qū)分。IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)中給出了一組EDCA 參數(shù)建議值，適合于大部分情況下的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。但由于無線網(wǎng)絡(luò)本身的移動性和可擴(kuò)展性，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大或網(wǎng)絡(luò)流量動態(tài)變化時，標(biāo)準(zhǔn)中的建議值會對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)各移動節(jié)點及某一節(jié)點下的不同業(yè)務(wù)流造成不公平的現(xiàn)象，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）AIFS、AIFSN 設(shè)置值導(dǎo)致節(jié)點間的不公平性。IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)中給出AIFS［AC］=aSIFSTime+AIFSN［AC］×aSlotTime。網(wǎng)絡(luò)中所有移動節(jié)點AIFS、AIFSN 值相同，這樣有可能在網(wǎng)絡(luò)中引起準(zhǔn)同步現(xiàn)象（某一節(jié)點本次通過競爭獲得信道使得下次競爭獲得信道的概率增大）的出現(xiàn)，導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點多次競爭而無法獲得信道的現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，從而使得不同節(jié)點接入信道、共享資源的不公平，同時進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)鏈路的利用率，影響業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量。

（2）AIFSN 值的固定設(shè)置導(dǎo)致不同等級業(yè)務(wù)流間的不公平。由于高優(yōu)先級的AIFSN值較小，在高優(yōu)先級需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較多的情況下，低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流在競爭信道時始終無法獲得信道，必然導(dǎo)致低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的“饑餓”現(xiàn)象。

（3）CWmin和CWmax的設(shè)置。從EDCA的基本訪問機(jī)制來看，CW［AC］的值成為影響AC隊列發(fā)送數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)失敗后重新競爭獲得信道的關(guān)鍵因素。CWmin和CWmax值雖然實現(xiàn)了不同業(yè)務(wù)間的業(yè)務(wù)區(qū)分，但在網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載情況下，同樣會導(dǎo)致低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的“饑餓”現(xiàn)象。

（4）TXOP 的設(shè)置。TXOP 反映了獲得數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)會的隊列最大發(fā)送數(shù)據(jù)幀數(shù)。如果采用IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)中的參考值，就會導(dǎo)致不公平的信道競爭機(jī)制在各業(yè)務(wù)流間更大的不公平。

（5）EDCA算法沒有考慮節(jié)點的移動性及信道干擾導(dǎo)致誤碼對網(wǎng)絡(luò)公平性的影響。

基于此，為提高無線網(wǎng)絡(luò)的公平性、網(wǎng)絡(luò)性能及不同業(yè)務(wù)流的QoS 保證，F(xiàn)EDCA 算法對EDCA 算法中的AIFSN、CWmin、CWmax 和TXOP 四個參數(shù)依據(jù)公平性原則進(jìn)行調(diào)整，以保證移動節(jié)點間和不同等級業(yè)務(wù)間的公平。

2 FEDCA算法實現(xiàn)

基于以上分析，本節(jié)詳細(xì)討論無線網(wǎng)絡(luò)中FEDCA算法具體實現(xiàn)過程。

2.1 FEDCA算法的實現(xiàn)

為保證移動節(jié)點間和同一節(jié)點內(nèi)的不同等級業(yè)務(wù)流的公平，F(xiàn)EDCA算法實現(xiàn)過程可以概括為：加權(quán)輪詢調(diào)度、擁塞窗口CW動態(tài)調(diào)整、公平因子計算 及TXOP調(diào)整。

（1）加權(quán)輪詢調(diào)度。FEDCA 算法執(zhí)行模型如圖2所示。

圖2 FEDCA算法執(zhí)行模型

加權(quán)輪詢調(diào)度的思想是為保證各等級業(yè)務(wù)間的公平性，給每一子隊列分配一個權(quán)值，根據(jù)不同的權(quán)值來調(diào)度不同子隊列中的數(shù)據(jù)，而不是采用EDCA算法中的最小退避窗口的隊列獲得數(shù)據(jù)發(fā)送的機(jī)會。其具體的實現(xiàn)過程為每一子隊列AC 分配一個對應(yīng)的權(quán)值W［AC］（該權(quán)值表明該子隊列可以連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)），按輪詢的方式為每個子隊列發(fā)送數(shù)據(jù)，如果某一子隊列內(nèi)的數(shù)據(jù)不夠發(fā)送Wi 次或為空，轉(zhuǎn)到下一子隊列準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，如此輪流執(zhí)行。

（2）擁塞窗口CW 動態(tài)調(diào)整。為保證各移動節(jié)點間和同一移動節(jié)點內(nèi)不同等級業(yè)務(wù)的公平性和提高系統(tǒng)的吞吐量，F(xiàn)ECDA 算法中所有業(yè)務(wù)等級的擁塞窗口CW 都采用先指數(shù)退避在線性退避的方式，即對任意隊列在CW＜CWmin時，每發(fā)生一次失敗的傳輸，其擁塞窗口增大為原擁塞窗口的2倍；當(dāng)CWmin＜CW＜CWmax時，每發(fā)生一次失敗的傳輸，其擁塞窗口線性增加；CW》CWmax，擁塞窗口維持CWmax不變。

（3）公平因子計算及TXOP 調(diào)整。在每一輪輪詢數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完成后，為保證同一移動節(jié)點中不同等級業(yè)務(wù)流的公平，F(xiàn)EDCA算法通過對每一子隊列的公平因子F［AC］ 計算，并與事先規(guī)定的公平因子FD［AC］ 比較，通過比較的結(jié)果確定下一輪調(diào)度的每一子隊列大小TXOP［AC］=（TXOP［AC］+ΔTXOP［AC］），其具體變化關(guān)系如圖3所示。

［AC］與ΔTXOP［AC］關(guān)系示意圖“》

圖3 公平因子F［AC］與ΔTXOP［AC］關(guān)系示意圖

2.2 FEDCA算法討論

從FEDCA算法實現(xiàn)過程來看：

（1）公平性的度量。FEDCA算法采用比例公平作為衡量公平性的標(biāo)準(zhǔn)，也就是每一類業(yè)務(wù)占用的網(wǎng)絡(luò)資源是成比例的，這樣除了可實現(xiàn)各等級業(yè)務(wù)間的公平外還可提高系統(tǒng)的吞吐量。FEDCA算法對每一類業(yè)務(wù)分配一個公平因子

用于表明該類業(yè)務(wù)在本移動節(jié)點共享資源中可使用的份額；（2）在加權(quán)輪詢調(diào)度時給每一子隊列分配的權(quán)值W［AC］與關(guān)系FD［AC］：

（3）FEDCA算法通過輪詢的方式確定可以發(fā)送的隊列數(shù)據(jù)，在發(fā)送成功后其擁塞窗口CW的變化方式與EDCA算法一致，發(fā)送失敗后擁塞避免的過程也與EDCA算法一致，但其擁塞窗口的變化采用FEDCA 算法描述中的方法，目的是維護(hù)節(jié)點內(nèi)各等級業(yè)務(wù)的公平性。

（4）每一業(yè)務(wù)等級的公平因子FD［AC］ 計算公式為：

式中：Total-Length［AC］為本輪輪詢調(diào)度中隊列AC被調(diào)度的數(shù)據(jù)總長度；為保證每一隊列能計算出該隊列在本輪調(diào)度中的公平因子FD［AC］，對某一隊列應(yīng)維護(hù)一個計數(shù)器，用于統(tǒng)計該隊列調(diào)度的數(shù)據(jù)長度Total-Length［AC］。

（5）ΔTXOP［AC］的計算公式為：

如圖3 所示，為了體現(xiàn)不同業(yè)務(wù)間的區(qū)分ΔTXOP［高］ 》 ΔTXOP ［低］；F ［高］ max 》 F ［低］ max ；F［高］ min ［低］ min 。同時圖3給出的ΔTXOPmin［AC］與Fmin［AC］示意圖，具體的各參數(shù)的設(shè)置可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際情況和網(wǎng)絡(luò)管理員自行設(shè)定?？紤]到無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，本算法建議ΔTXOP ［AC］ max不超過TXOPmin［AC］的參考值的1/8 為宜，最大不能超過1/4。

3 仿真分析

為了驗證FEDCA 算法性能，通過網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2 實現(xiàn)該算法和EDCA 算法的性能比較。仿真所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，仿真時物理層采用802.11b，物理帶寬設(shè)為11 Mb/s，4個移動節(jié)點分別發(fā)送VI、VO、BE和BK四種業(yè)務(wù)流，這4種業(yè)務(wù)流占總負(fù)載的比例為1∶1∶2∶4。分別對FEDCA、EDCA 算法的吞吐量、端到端的延遲及等級業(yè)務(wù)流量VO、VI的變化情況進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖5~圖7所示。

從圖5的仿真結(jié)果可以看出，同一等級的業(yè)務(wù)采用FEDCA 算法業(yè)務(wù)量的變化幅度及變換頻率比EDCA算法要小，而且不同等級的業(yè)務(wù)量比例基本保持不變，從而保證了移動節(jié)點內(nèi)各業(yè)務(wù)間的公平性；從圖6仿真結(jié)果可看出FEDCA算法能提高各類業(yè)務(wù)的吞吐量，從而提高了無線信道利用率；同時圖7的仿真結(jié)果表明FEDCA算法能減少數(shù)據(jù)幀的平均轉(zhuǎn)發(fā)延遲，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的QoS。

圖5 VO、VI吞吐量隨時間變化圖

圖7 平均延遲與負(fù)載仿真圖

4 結(jié)論

本文提出的FEDCA算法能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的公平性要求，通過加權(quán)輪詢的方式解決移動節(jié)點內(nèi)的不同子隊列競爭信道的問題，改變擁塞窗口的變化方式，提高系統(tǒng)的吞吐量和公平性，通過公平因子調(diào)整EDCA算法中的TXOP參數(shù)，最終實現(xiàn)提高無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的公平性和改善網(wǎng)絡(luò)性能的目的。通過仿真分析可知，F(xiàn)EDCA 算法保證了移動節(jié)點間和節(jié)點內(nèi)不同業(yè)務(wù)的公平性，同時能夠提高網(wǎng)絡(luò)性能和實現(xiàn)對不同業(yè)務(wù)的區(qū)分。

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