無線Mesh網(wǎng)絡中基于公平的EDCA算法

隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展和應用，用戶對網(wǎng)絡的移動性和可靠性要求越來越高，基于IEEE 802.11系列標準的無線Mesh網(wǎng)絡近年來得到了快速、廣泛的應用。在無線Mesh網(wǎng)絡中，任何無線設備節(jié)點都可以同時作為接入點（AP）和路由器，網(wǎng)絡中的每個節(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)點進行直接通信。但由于無線網(wǎng)絡本身的特性和多種物理層傳輸技術的應用，合適的媒體接入控制MAC協(xié)議對無線Mesh網(wǎng)絡至關重要。

在無線Mesh網(wǎng)絡中應用的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)務流的QoS支持，IEEE 802.11e工作組在IEEE 802.11中DCF機制的基礎上提出了增強分布式信道接入機制（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA），使得無線Mesh網(wǎng)絡可以更好地提供音頻和視頻業(yè)務的服務。

EDCA將不同的業(yè)務流分為4個不同的優(yōu)先等級AC（Access Categories），每一個AC對應一個隊列，通過設置仲裁幀間間隔（Arbitration Interframe Space，AIFS）、最小競爭窗口值CWmin、最大競爭窗口CWmax和傳輸機會TXOP（TraNSmission Opportunity）4個參數(shù)值實現(xiàn)不同業(yè)務流間的業(yè)務區(qū)分。文獻研究表明，由于無線網(wǎng)絡狀況的移動性和復雜性，EDCA算法中4個參數(shù)的靜態(tài)設置并不能使無線網(wǎng)絡的性能實現(xiàn)最優(yōu)，特別在高負載或突發(fā)業(yè)務量較大的狀況下，由于無線網(wǎng)絡中有較高的沖突率，EDCA的網(wǎng)絡性能急劇下降，無法滿足網(wǎng)絡用戶的要求。也有相關研究通過CW的自適應調整機制及相關退避算法的改進，如Lamia Romdhani提出的AEDCF機制（Adaptive EDCF，AEDCF）；Younggoo Kwon提出的快速碰撞解決機制（Fast Collision Resolutio，F(xiàn)CR）等，使得EDCA算法更適合無線網(wǎng)絡環(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調整后對無線Mesh網(wǎng)絡公平性（節(jié)點間和不同業(yè)務流間）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)，以達到保證網(wǎng)絡公平性的條件下提高網(wǎng)絡性能和QoS保證的目的。并通過仿真結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機制基礎上進行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會。同時EDCA提供了不同類型業(yè)務數(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)務的服務區(qū)分。

1.1 EDCA算法簡介

為保證不同業(yè)務的不同QoS要求，EDCA算法定義了上層的8類業(yè)務類別（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。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和傳輸機會TXOP.不同的AC通過不同的參數(shù)設置，控制其接入信道的過程，從而實現(xiàn)了不同業(yè)務類型的區(qū)分。

某一移動節(jié)點通過兩個階段實現(xiàn)一個AC隊列內的數(shù)據(jù)發(fā)送。首先在一個節(jié)點內部爭奪傳輸機會TXOP，獲得傳輸機會的隊列才有可能獲得信道接入的機會。其次，獲得信道接入機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會才可以進行數(shù)據(jù)傳輸。EDCA算法完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)谝浑A段的任務：不同隊列通過競爭獲得傳輸機會。

IEEE 802.11e EDCA的基本訪問機制如圖1所示。

圖1 IEEE 802.11e EDCA的基本訪問機制

當因競爭信道發(fā)生沖突時，就進入退避過程。在此過程中，將退避計數(shù)器Backoff Timer置為[0，CW[AC]]范圍內的任一整數(shù)值：Backoff_Timer（BT）=uniform[0，CW]×aSlotTime.CW[AC]的初始值設為CWmin[AC].當發(fā)生碰撞時，CW[AC]的值就增加為（CW[AC]+1）×2-1，當CW[AC]增加到CWmax[AC]時，就維持CWmax[AC]的值不變，不再增加。當數(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通過設置較小的AIFS、CWmin和CWmax將優(yōu)先獲得無線信道的訪問權，從而實現(xiàn)不同不同業(yè)務的業(yè)務區(qū)分。IEEE 802.11e標準中給出了一組EDCA參數(shù)建議值，適合于大部分情況下的網(wǎng)絡應用。但由于無線網(wǎng)絡本身的移動性和可擴展性，在網(wǎng)絡規(guī)模較大或網(wǎng)絡流量動態(tài)變化時，標準中的建議值會對無線Mesh網(wǎng)絡各移動節(jié)點及某一節(jié)點下的不同業(yè)務流造成不公平的現(xiàn)象，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）AIFS、AIFSN設置值導致節(jié)點間的不公平性。IEEE 802.11e標準中給出AIFS[AC]=aSIFSTime+AIFSN[AC]×aSlotTime.網(wǎng)絡中所有移動節(jié)點AIFS、AIFSN值相同，這樣有可能在網(wǎng)絡中引起準同步現(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)，導致無線網(wǎng)絡中其他節(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，同時進一步降低網(wǎng)絡鏈路的利用率，影響業(yè)務流的服務質量。

（2）AIFSN值的固定設置導致不同等級業(yè)務流間的不公平。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)務流在競爭信道時始終無法獲得信道，必然導致低優(yōu)先級業(yè)務的“饑餓”現(xiàn)象。

（3）CWmin和CWmax的設置。從EDCA的基本訪問機制來看，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鍵因素。CWmin和CWmax值雖然實現(xiàn)了不同業(yè)務間的業(yè)務區(qū)分，但在網(wǎng)絡高負載情況下，同樣會導致低優(yōu)先級業(yè)務的“饑餓”現(xiàn)象。

（4）TXOP的設置。TXOP反映了獲得數(shù)據(jù)發(fā)送機會的隊列最大發(fā)送數(shù)據(jù)幀數(shù)。如果采用IEEE 802.11e標準中的參考值，就會導致不公平的信道競爭機制在各業(yè)務流間更大的不公平。

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

基于此，為提高無線網(wǎng)絡的公平性、網(wǎng)絡性能及不同業(yè)務流的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)公平性原則進行調整，以保證移動節(jié)點間和不同等級業(yè)務間的公平。