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機制存在的問題
IEEE工作組于2005年底正式推出了IEEE 802.11e協議。該協議增強了原有的IEEE 802.11MAC信道接入方式,并支持優先級QoS和參數化QoS；該協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,提供了不同優先級的QoS。混合控制信道訪問(HCCA)則擴展了點協調功能（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，傳送數據類似IEEE 802.11b的分布式協調功能（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從一個隊列變為8個不同優先級的隊列，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)，對于各式的數據，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設置表，可以讓這些隊列在競爭信道時的優先級有差異，各隊列的傳送優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據較快地得到服務。
(2)碰撞管理機制：在802.11e協議中， EDCA機制對來自不同站點的業務（隊列）之間沒有優先級設置，它們必須通過公平競爭獲得信道。協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先級發送，優先權最高的隊列將首先訪問信道，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]。虛擬碰撞實現了隊列優先級的區分，同時在某種程度上，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絡應用。由于WLAN網絡業務是隨時變化的，在網絡規模較大且網絡拓撲（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務需求，音視頻等實時業務也常常得不到及時的服務，且低優先級業務受到很大的限制。因此對研究具有動態調節EDCA參數的機制就顯得尤為重要和迫切，以滿足WLAN網絡業務QoS的需要。
2 a-EDCA算法機制
802.11b網絡處于高負荷狀態時，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，從而使業務總吞吐量有所下降。802.11e標準中的EDCA中采用了區分優先級的策略，是以犧牲低優先級業務的帶寬為前提的，使低優先級業務受到了很大的限制。當網絡規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低谷現象。出現這一現象的主要原因是EDCA中優先傳輸的音頻和視頻流的幀長較短，傳輸的幀越短，幀的開銷比例就越大,且對背景流和盡力而為業務而言，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參數是目前學術界關注的熱點[5-6],但基于802.11ｅ標準參數建議值進行WLAN性能優化的算法則不多[7]，不能滿足實際WLAN網絡業務的需要。通過對802.11ｅ標準參數建議及實際WLAN網絡業務的分析研究，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絡運行的具體條件動態地調整參數 CWmin和CWmax，從而及時適應網絡負載的變化。各個接入點AP連續監測網絡流量，通過參數調節算法確定CW的值，并廣播數據幀到內部其他站點，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一直監聽網絡狀態，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將各業務流窗口CW[i]減小為原來的1/2，相對延長了高優先級業務的退避時間，縮短了低優先級業務的退避時間，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同時進行同倍數的調整,所以4隊列的業務流量比例始終不變，a-EDCA機制算法流程圖如圖1所示。
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