基于802.11e EDCA的自适应参数调节机制研究

无线局域网正从传统的非实时数据无线局域网应用向综合业务无线局域网演进，用户对于服务质量（QoS）的需求与日俱增[1]，业务的多样化对网络提出了不同的要求，需要网络为各种不同的用户及业务提供不同的服务质量QoS保证[2]。IEEE802.11e标准是为适应人们对移动通信业务服务质量的需求而提出，但在网络规模较大或网络拓扑变化频繁的情况下,标准中的建议值往往不足以满足业务需求。如何根据当前的网络负载及业务分布情况来合理设置标准参数值,让其自适应网络，以实现网络性能的最优化，是一个需要迫切解决的问题。
1 IEEE 802.11e及其EDCA机制存在的问题
    IEEE工作组于2005年底正式推出了IEEE 802.11e协议。该协议增强了原有的IEEE 802.11MAC信道接入方式,并支持优先级QoS和参数化QoS；该协议中包含了两种接入模式,即增强型分布式信道访问EDCA（Enhanced Distributed Channel Access)与混和协调功能控制信道访问HCCA（HCF，Controlled Channel Access)。其中，增强型分布式信道访问(EDCA)是分布式信道访问（DCF）的增强版，只能在竞争期 CP(Contention Period)内使用,提供了不同优先级的QoS。混合控制信道访问(HCCA)则扩展了点协调功能（PCF），在竞争期和无竞争期CFP(Contention Free Period)内均可使用,提供了参数化的QoS。
    增强型分布式信道访问（EDCA）机制是目前学者研究的热点，与IEEE 802.11标准的DCF机制相比较其改进主要集中在两个方面：接入控制与碰撞管理机制[3]。
    (1)接入控制:在增强型分布式信道访问(EDCA)机制模式下，传送数据类似IEEE 802.11b的分布式协调功能（DCF），依然是基于 CSMA/CA (Carrier Sense Medium Access with Collision Avoidance)，它将IEEE 802.11b的访问队列AC从一个队列变为8个不同优先级的队列，不同的AC有不同的任意帧间隔AIFS(Arbitrary Inter Frame Space)、竞争窗口CW(Contention Window)和传输机会TXOP(Transmission Opportunities)，对于各式的数据，分别进入其对应的队列。目前的研究以4个队列最为常见，如对于声音、图像、尽力而为（best effort）、背景流（backgound），有其对应的队列和不同的参数设置表，可以让这些队列在竞争信道时的优先级有差异，各队列的传送优先级从高到低依次为：声音（AC0）>图像（AC1）>尽力而为（best effort,AC2）>背景流（backgound,AC3），这样可以使实时性强的数据较快地得到服务。
    (2)碰撞管理机制：在802.11e协议中， EDCA机制对来自不同站点的业务（队列）之间没有优先级设置，它们必须通过公平竞争获得信道。协议中除了涉及两个不同站的队列碰撞即真正的物理层碰撞之外，还有一种新的碰撞——虚拟碰撞，也叫内部碰撞。 虚拟碰撞中涉及的碰撞队列来自于同一个站点，如果从某站点发出的几个队列，在某一时间间隙同时完成退避，站点内部的调度器会允许高优先级发送，优先权最高的队列将首先访问信道，之后其他队列将执行与真正的碰撞一样的行为，且其竞争窗口增加了一倍，再次争抢信道[4]。虚拟碰撞实现了队列优先级的区分，同时在某种程度上，加大了队列碰撞的机率。
    对于EDCA参数，802.11e标准中给出了一组建议值, 适合于大部分情况下的网络应用。由于WLAN网络业务是随时变化的，在网络规模较大且网络拓扑（负载）变化频繁的情况下,标准中的建议值往往不足以满足业务需求，音视频等实时业务也常常得不到及时的服务，且低优先级业务受到很大的限制。因此对研究具有动态调节EDCA参数的机制就显得尤为重要和迫切，以满足WLAN网络业务QoS的需要。
2 a-EDCA算法机制
　 802.11b网络处于高负荷状态时，一方面，帧头开销及帧间间隔占用了信道传输时间；另一方面，冲突频繁，有较多的碰撞与重传，从而使业务总吞吐量有所下降。802.11e标准中的EDCA中采用了区分优先级的策略，是以牺牲低优先级业务的带宽为前提的，使低优先级业务受到了很大的限制。当网络规模较大且负载变化频繁,尤其负荷变大时，网络吞吐量严重下降并出现低谷现象。出现这一现象的主要原因是EDCA中优先传输的音频和视频流的帧长较短，传输的帧越短，帧的开销比例就越大,且对背景流和尽力而为业务而言，AIFS与CW都较大，相当于空闲时隙增大，从而导致网络吞吐量下降。遵循什么原则来设置或实时调整EDCA参数是目前学术界关注的热点[5-6],但基于802.11ｅ标准参数建议值进行WLAN性能优化的算法则不多[7]，不能满足实际WLAN网络业务的需要。通过对802.11ｅ标准参数建议及实际WLAN网络业务的分析研究，笔者提出了一种自适应调节EDCA机制——adaptive-EDCA机制(a-EDCA）。该算法参数设置仍然以802.11e EDCA中默认的参数为基础, a-EDCA算法参数设置如表1所示。

    a-EDCA参数调整机制是根据网络运行的具体条件动态地调整参数 CWmin和CWmax，从而及时适应网络负载的变化。各个接入点AP连续监测网络流量，通过参数调节算法确定CW的值，并广播数据帧到内部其他站点，各站点在收到信息之后以更新后的参数值竞争信道，从而达到公平占用信道的目的。a-EDCA机制算法的基本思想是：接入点AP一直监听网络状态，以1 s作为时间周期来判断网络吞吐量的变化，引入吞吐量变化门限值为0.3 Mb/s，当检测到吞吐量变化量达到门限值时，就及时进行调整。当网络负载变大时，若检测到吞吐量减小，接入点AP将各业务流窗口CW[i]减小为原来的1/2，相对延长了高优先级业务的退避时间，缩短了低优先级业务的退避时间，有效减少了碰撞机率。网络负载减少时，若检测到吞吐量减小，则同时将各业务流的退避窗口CW[i]减小为原值的1/3，减少空闲时间。若检测到吞吐量增大，则同时将各业务流的退避窗口CW[i]增大为原值的2倍。每作一次调整，对4个队列的窗口CWmin和CWmax同时进行同倍数的调整,所以4队列的业务流量比例始终不变，a-EDCA机制算法流程图如图1所示。

3 a-EDCA算法仿真分析
     为了验证a-EDCA机制算法性能，根据网络实际应用中的具体情况，建立了模拟仿真环境，并利用网络仿真工具对该算法进行了仿真。仿真工具选择NS2，仿真时物理层采用802.11b，物理带宽设为6 Mb/s，整个仿真时间为3 min。开始时假设只有2个站分别发送声音(AC0)、图像(AC1)、尽力而为(best effort,AC2)以及背景流4种业务流。每经过15 s，发送各业务流的移动站增长一倍。60 s时发送各业务流的移动站达到16个，即发送4种业务的站共计64个；在60 s~105 s时间段内，保持64个发送站数目不变；105 s~165 s时间段内,发送各业务流的移动站开始每隔15 s以1/2递减，到165 s时4种业务流的移动站递减到2个；165 s~180 s时间段内,各业务流移动站没有增减变化。分别对a-EDCA、EDCA算法的整体吞吐量及a-EDCA、EDCA算法4种业务流的吞吐量进行了仿真，仿真结果如图2、图3及图4所示。图3、4中AC0为声音，AC1为图像，AC2为尽力而为, AC3为背景流。

    从图2的仿真结果可以看出，a-EDCA使整个网络的吞吐量基本稳定在5 Mb/s左右，与EDCA相比较信道利用率得到了很大的提高。从图3与图4的仿真结果可以看出，在a-EDCA算法中，4种业务流的比例基本保持稳定,在为音视频实时业务提供及时服务的前提下，保证了高低优先级业务的公平性。
    本文提出的a-EDCA算法能够根据当前的网络负载及业务分布情况来动态调整EDCA参数，以达到自适应网络业务需求的目的，实现了网络性能的最优化。通过仿真分析可知，该算法在为音视频实时业务提供及时服务的同时，保证了低优先级业务的带宽，提高了信道利用率。文中的站点来自于同一个站，主要是为了研究虚拟碰撞问题，不同站之间的竞争依然基于DCF机制，因此本文提出的算法在无线局域网中具有较大的推广应用价值。