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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(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(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對等節(jié)點(diǎn)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(shí)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(gè)不同的優(yōu)先等級AC（Access Categories），每一個(gè)AC 對應(yīng)一個(gè)隊(duì)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(gè) 參數(shù)值實(shí)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(gè)參數(shù)的靜態(tài)設(shè)置并不能使無線網(wǎng)絡(luò)的性能實(shí)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(diǎn)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(shí)間，通過公平因子的計(jì)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(yàn)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(diǎn)以CSMA/CA 方式通過競爭獲得信道接入的機(jī)會。同時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)4個(gè)AC隊(duì)列不同優(yōu)先級的區(qū)別，定義了4個(gè)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(shí)現(xiàn)了不同業(yè)務(wù)類型的區(qū)分。 某一移動節(jié)點(diǎn)通過兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)一個(gè)AC隊(duì)列內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送。首先在一個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部爭奪傳輸機(jī)會TXOP，獲得傳輸機(jī)會的隊(duì)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(diǎn)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(duì)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(shí)，就進(jìn)入退避過程。在此過程中，將退避計(jì)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(shí)，CW[AC]的值就增加為（CW[AC]+1）×2-1，當(dāng)CW[AC]增加到CWmax[AC]時(shí)，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(jì)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(shù)據(jù)幀占用信道，若節(jié)點(diǎn)內(nèi)多個(gè)AC的退避計(jì)時(shí)器同時(shí)減到零，則較高優(yōu)先級隊(duì)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(shí)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(shí)，標(biāo)準(zhǔn)中的建議值會對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)各移動節(jié)點(diǎn)及某一節(jié)點(diǎn)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(gè)方面： （1）AIFS、AIFSN 設(shè)置值導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(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(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(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(diǎn)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(gè)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(diǎn)間和不同等級業(yè)務(wù)間的公平。 2 FEDCA算法實(shí)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(shí)現(xiàn)過程。 2.1 FEDCA算法的實(shí)現(xiàn) 為保證移動節(jié)點(diǎn)間和同一節(jié)點(diǎn)內(nèi)的不同等級業(yè)務(wù)流的公平，F(xiàn)EDCA算法實(shí)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(jì)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(duì)列分配一個(gè)權(quán)值，根據(jù)不同的權(quán)值來調(diào)度不同子隊(duì)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(duì)列獲得數(shù)據(jù)發(fā)送的機(jī)會。其具體的實(shí)現(xiàn)過程為每一子隊(duì)列AC 分配一個(gè)對應(yīng)的權(quán)值W[AC]（該權(quán)值表明該子隊(duì)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(gè)子隊(duì)列發(fā)送數(shù)據(jù)，如果某一子隊(duì)列內(nèi)的數(shù)據(jù)不夠發(fā)送Wi 次或?yàn)榭眨D(zhuǎn)到下一子隊(duì)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(diǎn)間和同一移動節(jié)點(diǎn)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(duì)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(dāng)CWmin＜CW＜CWmax時(shí)，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(jì)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(diǎn)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(duì)列的公平因子F[AC] 計(jì)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(duì)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(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(shí)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(gè)公平因子 用于表明該類業(yè)務(wù)在本移動節(jié)點(diǎn)共享資源中可使用的份額；（2）在加權(quán)輪詢調(diào)度時(shí)給每一子隊(duì)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(duì)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(diǎn)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(jì)算公式為： 式中：Total-Length[AC]為本輪輪詢調(diào)度中隊(duì)列AC被調(diào)度的數(shù)據(jù)總長度；為保證每一隊(duì)列能計(jì)算出該隊(duì)列在本輪調(diào)度中的公平因子FD[AC]，對某一隊(duì)列應(yīng)維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器，用于統(tǒng)計(jì)該隊(duì)列調(diào)度的數(shù)據(jù)長度Total-Length[AC]。 （5）ΔTXOP[AC]的計(jì)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(shí)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(shí)際情況和網(wǎng)絡(luò)管理員自行設(shè)定。考慮到無線網(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(yàn)證FEDCA 算法性能，通過網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2 實(shí)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(shí)物理層采用802.11b，物理帶寬設(shè)為11 Mb/s，4個(gè)移動節(jié)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(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(diǎn)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(shí)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4 無線網(wǎng)絡(luò)仿真的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 圖5 VO、VI吞吐量隨時(shí)間變化圖 圖6 吞吐量與負(fù)載關(guān)系仿真圖 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(diǎn)內(nèi)的不同子隊(duì)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(shí)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(diǎn)間和節(jié)點(diǎn)內(nèi)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(xiàn)對不同業(yè)務(wù)的區(qū)分。 |
