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隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展 和應用，用戶(hù)對網(wǎng)絡(luò )的移動(dòng)性和可靠性要求越來(lái)越高，基于IEEE 802.11系列標準的無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )近年來(lái)得到了快速、廣泛的應用。在無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )中，任何無(wú)線(xiàn)設備節點(diǎn)都可以同時(shí)作為接入點(diǎn)（AP）和路由器，網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號，每個(gè)節點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對等節點(diǎn)進(jìn)行直接通信。但由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )本身的特性和多種物理層傳輸技術(shù)的應用，合適的媒體接入控制MAC 協(xié)議對無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )至關(guān)重要。 在無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò )中應用的MAC 協(xié)議包括：CSMA/CA、DCF、PCF 等，為了在MAC 子層實(shí)現對不同業(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(wú)線(xiàn)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(gè)不同的優(yōu)先等級AC（Access Categories），每一個(gè)AC 對應一個(gè)隊列，通過(guò)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(huì )TXOP（Transmission Opportunity）4個(gè) 參數值實(shí)現不同業(yè)務(wù)流間的業(yè)務(wù)區分。文獻研究表明，由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )狀況的移動(dòng)性和復雜性，EDCA 算法中4個(gè)參數的靜態(tài)設置并不能使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的性能實(shí)現最優(yōu)，特別在高負載或突發(fā)業(yè)務(wù)量較大的狀況下，由于無(wú)線(xiàn)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(wú)法滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)的要求。也有相關(guān)研究通過(guò)CW 的自適應調整機制及相關(guān)退避算法的改進(jìn)，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，FCR）等，使得EDCA算法更適合無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。但這些研究都沒(méi)有考慮EDCA 算法本身及參數AIFS、CWmin、CWmax和TXOP調整后對無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )公平性（節點(diǎn)間和不同業(yè)務(wù)流間）帶來(lái)的影響。 本文提出了一種基于公平的EDCA 算法（Fairness-based EDCA，FEDCA）。FEDCA算法的基本思想是通過(guò)加權輪詢(xún)的方式確定傳輸的數據接入類(lèi)別和本次信道偵聽(tīng)的時(shí)間，通過(guò)公平因子的計算確定TXOP 參數，以達到保證網(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(guò)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(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(dòng)節點(diǎn)以CSMA/CA 方式通過(guò)競爭獲得信道接入的機會(huì )。同時(shí)EDCA 提供了不同類(lèi)型業(yè)務(wù)數據傳輸的多種信道接入類(lèi)別AC，可以實(shí)現不同業(yè)務(wù)的服務(wù)區分。 1.1 EDCA算法簡(jiǎn)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(lèi)業(yè)務(wù)類(lèi)別（Traffic Category，TC）和本層的4類(lèi)基于IEEE 802.1D的接入類(lèi)別（Access Category，AC），8類(lèi)TC分別映射至4類(lèi)AC的隊列中：AC_VO，AC_VI，AC_BE和AC_BK，分別代表語(yǔ)音（Voice）類(lèi)，視頻（Video）類(lèi)，盡力而為（Best Effort）類(lèi)和背景（Background）類(lèi)的業(yè)務(wù)。為實(shí)現4個(gè)AC隊列不同優(yōu)先級的區別，定義了4個(gè)參數：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(huì )TXOP。不同的AC通過(guò)不同的參數設置，控制其接入信道的過(guò)程，從而實(shí)現了不同業(yè)務(wù)類(lèi)型的區分。 某一移動(dòng)節點(diǎn)通過(guò)兩個(gè)階段實(shí)現一個(gè)AC隊列內的數據發(fā)送。首先在一個(gè)節點(diǎn)內部爭奪傳輸機會(huì )TXOP，獲得傳輸機會(huì )的隊列才有可能獲得信道接入的機會(huì )。其次，獲得信道接入機會(huì )的分組再在不同的節點(diǎn)間通過(guò)CSMA/CA 方式獲得信道接入機會(huì )才可以進(jìn)行數據傳輸。EDCA算法完成數據傳輸第一階段的任務(wù)：不同隊列通過(guò)競爭獲得傳輸機會(huì )。 IEEE 802.11e EDCA的基本訪(fǎng)問(wèn)機制如圖1所示。 圖1 IEEE 802.11e EDCA的基本訪(fǎng)問(wèn)機制 當因競爭信道發(fā)生沖突時(shí)，就進(jìn)入退避過(guò)程。在此過(guò)程中，將退避計數器Backoff Timer置為[0，CW[AC]]范圍內的任一整數值：Backoff_Timer（BT）=uniform[0，CW]×aSlotTime。CW[AC]的初始值設為CWmin[AC]。當發(fā)生碰撞時(shí)，CW[AC]的值就增加為（CW[AC]+1）×2-1，當CW[AC]增加到CWmax[AC]時(shí)，就維持CWmax[AC]的值不變，不再增加。當數據幀成功發(fā)送之后，將CW[AC]的值重置為CWmin[AC]，繼續偵聽(tīng)信道。退避計時(shí)器每檢測到一個(gè)空閑時(shí)隙，其值（BT）減1，最先減到零的數據幀占用信道，若節點(diǎn)內多個(gè)AC的退避計時(shí)器同時(shí)減到零，則較高優(yōu)先級隊列的數據幀將占用信道，其他數據幀又進(jìn)入新一輪的退避過(guò)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(guò)設置較小的AIFS、CWmin 和CWmax 將優(yōu)先獲得無(wú)線(xiàn)信 道的訪(fǎng)問(wèn)權，從而實(shí)現不同不同業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)區分。IEEE 802.11e標準中給出了一組EDCA 參數建議值，適合于大部分情況下的網(wǎng)絡(luò )應用。但由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )本身的移動(dòng)性和可擴展性，在網(wǎng)絡(luò )規模較大或網(wǎng)絡(luò )流量動(dòng)態(tài)變化時(shí)，標準中的建議值會(huì )對無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )各移動(dòng)節點(diǎn)及某一節點(diǎn)下的不同業(yè)務(wù)流造成不公平的現象，具體體現在以下幾個(gè)方面： （1）AIFS、AIFSN 設置值導致節點(diǎn)間的不公平性。IEEE 802.11e標準中給出AIFS[AC]=aSIFSTime+AIFSN[AC]×aSlotTime。網(wǎng)絡(luò )中所有移動(dòng)節點(diǎn)AIFS、AIFSN 值相同，這樣有可能在網(wǎng)絡(luò )中引起準同步現象（某一節點(diǎn)本次通過(guò)競爭獲得信道使得下次競爭獲得信道的概率增大）的出現，導致無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中其他節點(diǎn)多次競爭而無(wú)法獲得信道的現象頻繁出現，從而使得不同節點(diǎn)接入信道、共享資源的不公平，同時(shí)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 值的固定設置導致不同等級業(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)先級需傳輸的數據較多的情況下，低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流在競爭信道時(shí)始終無(wú)法獲得信道，必然導致低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的“饑餓”現象。 （3）CWmin和CWmax的設置。從EDCA的基本訪(fǎng)問(wèn)機制來(lái)看，CW[AC]的值成為影響AC隊列發(fā)送數據和發(fā)送數據失敗后重新競爭獲得信道的關(guān)鍵因素。CWmin和CWmax值雖然實(shí)現了不同業(yè)務(wù)間的業(yè)務(wù)區分，但在網(wǎng)絡(luò )高負載情況下，同樣會(huì )導致低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的“饑餓”現象。 （4）TXOP 的設置。TXOP 反映了獲得數據發(fā)送機會(huì )的隊列最大發(fā)送數據幀數。如果采用IEEE 802.11e標準中的參考值，就會(huì )導致不公平的信道競爭機制在各業(yè)務(wù)流間更大的不公平。 （5）EDCA算法沒(méi)有考慮節點(diǎn)的移動(dòng)性及信道干擾導致誤碼對網(wǎng)絡(luò )公平性的影響。 基于此，為提高無(wú)線(xiàn)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，FEDCA 算法對EDCA 算法中的AIFSN、CWmin、CWmax 和TXOP 四個(gè)參數依據公平性原則進(jìn)行調整，以保證移動(dòng)節點(diǎn)間和不同等級業(yè)務(wù)間的公平。 2 FEDCA算法實(shí)現 基于以上分析，本節詳細討論無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中FEDCA算法具體實(shí)現過(guò)程。 2.1 FEDCA算法的實(shí)現 為保證移動(dòng)節點(diǎn)間和同一節點(diǎn)內的不同等級業(yè)務(wù)流的公平，FEDCA算法實(shí)現過(guò)程可以概括為：加權輪詢(xún)調度、擁塞窗口CW動(dòng)態(tài)調整、公平因子計算 及TXOP調整。 （1）加權輪詢(xún)調度。FEDCA 算法執行模型如圖2所示。 圖2 FEDCA算法執行模型 加權輪詢(xún)調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(gè)權值，根據不同的權值來(lái)調度不同子隊列中的數據，而不是采用EDCA算法中的最小退避窗口的隊列獲得數據發(fā)送的機會(huì )。其具體的實(shí)現過(guò)程為每一子隊列AC 分配一個(gè)對應的權值W[AC]（該權值表明該子隊列可以連續發(fā)送數據的次數），按輪詢(xún)的方式為每個(gè)子隊列發(fā)送數據，如果某一子隊列內的數據不夠發(fā)送Wi 次或為空，轉到下一子隊列準備發(fā)送數據，如此輪流執行。 （2）擁塞窗口CW 動(dòng)態(tài)調整。為保證各移動(dòng)節點(diǎn)間和同一移動(dòng)節點(diǎn)內不同等級業(yè)務(wù)的公平性和提高系統的吞吐量，FECDA 算法中所有業(yè)務(wù)等級的擁塞窗口CW 都采用先指數退避在線(xiàn)性退避的方式，即對任意隊列在CW＜CWmin時(shí)，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CWmin＜CW＜CWmax時(shí)，每發(fā)生一次失敗的傳輸，其擁塞窗口線(xiàn)性增加；CW>CWmax，擁塞窗口維持CWmax不變。 （3）公平因子計算及TXOP 調整。在每一輪輪詢(xún)數據轉發(fā)完成后，為保證同一移動(dòng)節點(diǎn)中不同等級業(yè)務(wù)流的公平，FEDCA算法通過(guò)對每一子隊列的公平因子F[AC] 計算，并與事先規定的公平因子FD[AC] 比較，通過(guò)比較的結果確定下一輪調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(shí)現過(guò)程來(lái)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準，也就是每一類(lèi)業(yè)務(wù)占用的網(wǎng)絡(luò )資源是成比例的，這樣除了可實(shí)現各等級業(yè)務(wù)間的公平外還可提高系統的吞吐量。FEDCA算法對每一類(lèi)業(yè)務(wù)分配一個(gè)公平因子 用于表明該類(lèi)業(yè)務(wù)在本移動(dòng)節點(diǎn)共享資源中可使用的份額；（2）在加權輪詢(xún)調度時(shí)給每一子隊列分配的權值W[AC]與關(guān)系FD[AC]： （3）FEDCA算法通過(guò)輪詢(xún)的方式確定可以發(fā)送的隊列數據，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(guò)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，目的是維護節點(diǎn)內各等級業(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(xún)調度中隊列AC被調度的數據總長(cháng)度；為保證每一隊列能計算出該隊列在本輪調度中的公平因子FD[AC]，對某一隊列應維護一個(gè)計數器，用于統計該隊列調度的數據長(cháng)度Total-Length[AC]。 （5）ΔTXOP[AC]的計算公式為： 如圖3 所示，為了體現不同業(yè)務(wù)間的區分ΔTXOP[高] > ΔTXOP [低]；F [高] max > F [低] max ；F[高] min [低] min 。同時(shí)圖3給出的ΔTXOPmin[AC]與Fmin[AC]示意圖，具體的各參數的設置可根據網(wǎng)絡(luò )實(shí)際情況和網(wǎng)絡(luò )管理員自行設定�？紤]到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )運行的可靠性和穩定性，本算法建議ΔTXOP [AC] max不超過(guò)TXOPmin[AC]的參考值的1/8 為宜，最大不能超過(guò)1/4。 3 仿真分析 為了驗證FEDCA 算法性能，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )仿真工具NS2 實(shí)現該算法和EDCA 算法的性能比較。仿真所采用的拓撲結構如圖4所示，仿真時(shí)物理層采用802.11b，物理帶寬設為11 Mb/s，4個(gè)移動(dòng)節點(diǎn)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，仿真結果如圖5~圖7所示。 從圖5的仿真結果可以看出，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(dòng)節點(diǎn)內各業(yè)務(wù)間的公平性；從圖6仿真結果可看出FEDCA算法能提高各類(lèi)業(yè)務(wù)的吞吐量，從而提高了無(wú)線(xiàn)信道利用率；同時(shí)圖7的仿真結果表明FEDCA算法能減少數據幀的平均轉發(fā)延遲，從而提高了網(wǎng)絡(luò )的QoS。 圖4 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )仿真的拓撲結構圖 圖5 VO、VI吞吐量隨時(shí)間變化圖 圖6 吞吐量與負載關(guān)系仿真圖 圖7 平均延遲與負載仿真圖 4 結論 本文提出的FEDCA算法能夠根據網(wǎng)絡(luò )的公平性要求，通過(guò)加權輪詢(xún)的方式解決移動(dòng)節點(diǎn)內的不同子隊列競爭信道的問(wèn)題，改變擁塞窗口的變化方式，提高系統的吞吐量和公平性，通過(guò)公平因子調整EDCA算法中的TXOP參數，最終實(shí)現提高無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )的公平性和改善網(wǎng)絡(luò )性能的目的。通過(guò)仿真分析可知，FEDCA 算法保證了移動(dòng)節點(diǎn)間和節點(diǎn)內不同業(yè)務(wù)的公平性，同時(shí)能夠提高網(wǎng)絡(luò )性能和實(shí)現對不同業(yè)務(wù)的區分。 |
