無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于公平的EDCA算法研究

夏漢鑄+劉輝元

摘 要： 針對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特性，分析無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的EDCA算法，提出了一種基于公平的EDCA算法，詳細(xì)討論了該算法的具體實(shí)現(xiàn)過程及參數(shù)變化規(guī)則，通過仿真驗(yàn)證了該算法提高網(wǎng)絡(luò)的公平性同時(shí)改善網(wǎng)絡(luò)性能，還可以達(dá)到對不同業(yè)務(wù)流的業(yè)務(wù)區(qū)分。

關(guān)鍵詞： 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)； 公平性； 增強(qiáng)分布式信道接入； 分布式協(xié)同功能

中圖分類號： TN710?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）07?0021?04

Research on fairness?based EDCA algorithm in wireless Mesh networks

XIA Han?zhu1， Liu Hui?yuan2

（1. Department of Information Engineering， Zhongshan Torch Polytechnic， Zhongshan 528436， China； 2. Chongqing School of Industry， Chongqing 400043， China）

Abstract： Aiming at the network characteristic of wireless Mesh networks （WMN）， the EDCA algorithm in WMN is analyzed， and a fairness?based EDCA algorithm is provided. The implementation process and the rule of parameter variation are discussed. Through simulation， the algorithm is proved to have the characteristic of improving the fairness of the network while perfecting the network performance. What′s more， it can also realize the differentiation of different service.

Keywords： wireless Mesh network； fairness； enhanced distributed channel access； distributed coordination function

0 引 言

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)[1?2]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[3?5]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)[6?10]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CWCWmax，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。

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[FD[AC]]（[FD[AC]<1，][iFDi=1]），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]：]

[FD[AC]=W[AC]W[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：

[F[AC]=Total?Length[AC]Total?Length[AC]]

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：

[ΔTXOP[AC]=F[AC]-F[AC]minF[AC]max-F[AC]min×2ΔTXOP[AC]max-ΔTXOP[AC]max]

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

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。

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