無線局域網(wǎng)EDCA機(jī)制的一種自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整改進(jìn)算法*

朱智平　萬　福

(海軍指揮學(xué)院信息戰(zhàn)研究系　南京　211800)

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無線局域網(wǎng)EDCA機(jī)制的一種自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整改進(jìn)算法*

朱智平萬福

(海軍指揮學(xué)院信息戰(zhàn)研究系南京211800)

摘要為了進(jìn)一步提高無線局域網(wǎng)EDCA機(jī)制信道利用率和吞吐率，提出一種EDCA參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整改進(jìn)算法并進(jìn)行了仿真，該算法可使節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)吞吐量變化情況，計(jì)算出沖突概率自動(dòng)調(diào)節(jié)競爭窗口值，從而提高EDCA的性能。

關(guān)鍵詞EDCA自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整; 沖突概率; 競爭窗口

Class NumberTP301.6

1　引言

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用CSMA/CD機(jī)制，而在無線局域網(wǎng)中，信號(hào)強(qiáng)度衰減，沖突檢測變得困難，原因在于：節(jié)點(diǎn)隱藏，如兩個(gè)相反方向的工作站要利用一個(gè)中心接入點(diǎn)來進(jìn)行連接，這兩個(gè)站都能偵測到中心接入點(diǎn)，而相反間則可能由于障礙或距離原因無法感知到對(duì)方的存在。為了解決這一問題，最初的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種訪問機(jī)制：分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)和集中控制訪問機(jī)制(PCF)。DCF的核心是CSMA/CA機(jī)制，其主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：載波偵聽、幀間間隔和隨機(jī)退避。其中，DCF沒有進(jìn)行業(yè)務(wù)區(qū)分，所有業(yè)務(wù)在同一個(gè)優(yōu)先級(jí)下競爭信道，它僅僅能夠做到“盡力而為”。而不斷發(fā)展的視頻、語音等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需求對(duì)WLAN提出了更高的要求。

2　IEEE 802.11e EDCA機(jī)制[10]

為了增加WLAN對(duì)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)的支持，IEEE 802.11e對(duì)媒體介入控制(MAC)層協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，使其可支持QoS要求的應(yīng)用，對(duì)DCF在QoS的支持方面做了加強(qiáng)，通過設(shè)置優(yōu)先級(jí)，既可保證大帶寬的通信質(zhì)量，同時(shí)又能做到向下兼容IEEE 802.11設(shè)備。其加強(qiáng)后的標(biāo)準(zhǔn)成為分布式通道存取(Enhanced Distributed Channel Access，EDCA)。

IEEE 802.11e把業(yè)務(wù)分為四個(gè)隊(duì)列(AC)，八個(gè)傳輸優(yōu)先級(jí)(UP)，八個(gè)UP映射到這四個(gè)AC上面去，較高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)優(yōu)先接入信道。

EDCA的主要特點(diǎn)如下。

1) 為避免沖突，MAC層規(guī)定所有站在完成發(fā)送后必須等待一個(gè)很短時(shí)間(繼續(xù)偵聽)才能發(fā)送下一幀，這個(gè)時(shí)間稱為幀間間隔(InterFrame Space,IFS)。在EDCA中，使用仲裁幀間間隔(Arbitration IFS,AIFS)代替DIFS(DCF IFS)，DIFS是固定不變的，而AIFS則可以根據(jù)業(yè)務(wù)類型的不同而變化。優(yōu)先級(jí)較高的業(yè)務(wù)其AIFS值越小，業(yè)務(wù)能比一般的數(shù)據(jù)通信更快地接入網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。AIFS的計(jì)算方式如下：

AIFS=SIFS+AIFSN×tslot

其中，SIFS為固定值，而AIFSN是由業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)決定的一個(gè)整數(shù)，業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)越高，其值越小，節(jié)點(diǎn)能更快的接入信道。slot為一個(gè)時(shí)隙值。

2) 競爭窗口(CW)的改變。與DCF不同的是，EDCA中最小競爭窗口CWmin與最大競爭窗口CWmax并不是固定值，而是與AC有關(guān)的參數(shù)，所以CW值也不盡相同。四個(gè)AC分別對(duì)應(yīng)為：AC-BK(背景)、AC-BE(盡力而為)、AC-VI(視頻)、AC-VO(音頻)，其優(yōu)先級(jí)依次越來越高，CWmin值與CWmax值也就越小，意味著站點(diǎn)以更大的概率接入信道。具體參數(shù)[8]設(shè)置見表1。

表1　IEEE 802.11各隊(duì)列參數(shù)設(shè)置

3) 傳輸機(jī)會(huì)[3](Transmission Opportunity，TXOP)，站點(diǎn)通過競爭得到傳輸機(jī)會(huì)，然后EDCA模式應(yīng)用XTOP Limit來決定傳輸幀數(shù)量的最大值，同時(shí)也由此決定每個(gè)AC占用通信信道的最大持續(xù)時(shí)間。由于在一次傳輸完成后，AC依然保持接通的權(quán)利，擁有相同AC的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以直接繼續(xù)占用通道發(fā)送數(shù)據(jù)，而這個(gè)傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間由TXOP Limit來限制，每個(gè)不同的AC其TXOP Limit都不同。這一機(jī)制減少了一系列數(shù)據(jù)傳送所要花費(fèi)的額外開銷，有效提升了系統(tǒng)的吞吐量性能。

3　IEEE 802.11e EDCA機(jī)制存在的缺陷及原因

3.1EDCA機(jī)制存在的缺陷

然而，由于EDCA中的參數(shù)AIFS、TXOP、CWmin、CWmax是靜態(tài)設(shè)置的，在面對(duì)負(fù)載較多，節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多且鏈路動(dòng)態(tài)多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由于無線網(wǎng)絡(luò)中較大的沖突概率，因此顯得并不實(shí)用，其更適用于負(fù)載不多，節(jié)點(diǎn)數(shù)目不多，沖突較少的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在音視頻服務(wù)越來越普遍的今天，EDCA顯然已經(jīng)限制了發(fā)展，且優(yōu)先級(jí)較低的業(yè)務(wù)也受到了很大限制。因此，動(dòng)態(tài)地調(diào)整EDCA參數(shù)以使其適應(yīng)無線局域網(wǎng)的QoS需求正成為研究提高網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)熱點(diǎn)，參數(shù)配置是有效利用信道資源的關(guān)鍵，合理的參數(shù)調(diào)節(jié)方案更加有利于系統(tǒng)性能的有效發(fā)揮。

3.2EDCA機(jī)制缺陷的原因

分析一下當(dāng)網(wǎng)絡(luò)情況復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多的時(shí)候，EDCA性能下降的原因：由于幀頭(具體幀結(jié)構(gòu)見表2)開銷和幀間間隔占用了一部分信道的傳輸時(shí)間，且網(wǎng)絡(luò)情況變得復(fù)雜的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)之間的沖突增加，導(dǎo)致信道的吞吐率下降。此外，EDCA是以犧牲低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上來保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的優(yōu)先傳輸?shù)?，在這種情況下，無論是高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)還是低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)都無法得到保障。因?yàn)镋DCA中優(yōu)先保障的音視頻業(yè)務(wù)其幀長都較短，而它們的傳輸開銷又較大，對(duì)于BK、BE業(yè)務(wù)而言，其幀間間隔和競爭窗口值都較大，也就意味著其空閑時(shí)隙增大，從而導(dǎo)致了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信道的吞吐率降低。

表2幀結(jié)構(gòu)

4　自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整改進(jìn)算法

在EDCA機(jī)制中，當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)競爭通信信道時(shí)，每次傳輸成功后，節(jié)點(diǎn)將CW重置為CWmin，不能根據(jù)負(fù)載情況動(dòng)態(tài)設(shè)置，這樣的退避機(jī)制在高負(fù)載情況下會(huì)導(dǎo)致碰撞增加，降低網(wǎng)絡(luò)性能。文章提出N-EDCA算法將節(jié)點(diǎn)的沖突概率CP作為調(diào)整參數(shù)的依據(jù)，使節(jié)點(diǎn)中的業(yè)務(wù)能夠自適應(yīng)地動(dòng)態(tài)更新參數(shù)。

4.1沖突概率的計(jì)算

按照文獻(xiàn)[2]，沖突概率CP用單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生沖突了的數(shù)據(jù)包數(shù)量與所有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包總量的比值來表示。使用沖突概率因子CPt和沖突平滑因子a來減少因瞬時(shí)沖突計(jì)算出來的CP的誤差：

CPt[T]=a×CPt[T-1]+(1-a)×CP

使用沖突概率因子CPt來與節(jié)點(diǎn)設(shè)定的閾值L比較，若CPt大于L，則說明網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重，需增大CW值以緩解沖突。反之則表明網(wǎng)絡(luò)比較空閑，可減小CW值以更好的利用信道資源。

每當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突的時(shí)候，CW值不是簡單的加倍增長，而是根據(jù)沖突概率CP算出一個(gè)乘數(shù)因子γ，再使用上次的CW值乘以該因子，γ的計(jì)算公式為

γ=β[AC]×CP

其中，β[AC]可以實(shí)現(xiàn)不同優(yōu)先等級(jí)業(yè)務(wù)的區(qū)分，優(yōu)先級(jí)越高，其值越小，還可以根據(jù)管理者的需求進(jìn)行修改。

4.2競爭窗口CW值的自適應(yīng)調(diào)整

在N-EDCA算法中，節(jié)點(diǎn)成功傳送任務(wù)后，其CW值乘以乘數(shù)因子γ，新的節(jié)點(diǎn)CW[AC]=max(CW[AC]min，CW×γ)，這就保證了新的CW[AC]值始終大于或者等于CW[AC]min，實(shí)現(xiàn)了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的優(yōu)先接入。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)幀傳送失敗時(shí)，其不再使用以上因子來確定新的CW[AC]值，而是采用802.11e協(xié)議中所規(guī)定的持續(xù)因子(PF)來調(diào)整CW值。使得高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)具有較小的PF值，減少下次傳輸過程中產(chǎn)生沖突的概率。實(shí)現(xiàn)充分利用信道資源和減少網(wǎng)絡(luò)延遲的目的。

CW[AC]min=min(CW[AC]min，CW[AC]×PF)

4.3競爭窗口CW初始值的動(dòng)態(tài)調(diào)整[1]

以上過程實(shí)現(xiàn)了對(duì)CW的變化過程實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)整，在CW的初始值設(shè)定上依舊是靜態(tài)的，每次成功傳輸后節(jié)點(diǎn)的CW值又會(huì)變成CWmin，若不根據(jù)信道質(zhì)量變化，以及節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加來調(diào)整CWmin，則可能會(huì)導(dǎo)致更多的碰撞產(chǎn)生。所以，還需進(jìn)行競爭窗口初始值的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

確定一個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間t，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，統(tǒng)計(jì)它的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，與規(guī)定的門限值做比較，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大于這個(gè)門限值時(shí)，說明此時(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過大，此時(shí)需要增大CWmin和CWmax以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀況，設(shè)置增大的百分比值為a，則經(jīng)過放大后的CW值分別為CWmin，CWmax，相對(duì)應(yīng)的如果網(wǎng)絡(luò)負(fù)載小于門限值，則需要縮減CW以使信道資源不被浪費(fèi)，此時(shí)縮減的百分比為b，縮減后的值分別為CWmin，CWmax。

時(shí)間段t的選擇可以通過周期性廣播Bsacon幀來通知節(jié)點(diǎn)CWmin和CWmax的值。為避免給系統(tǒng)帶來額外開銷用來計(jì)算，將Bsacon幀的發(fā)送周期定義為1。此時(shí)，計(jì)算在時(shí)間段t內(nèi)的碰撞次數(shù)與成功次數(shù)的比值來反映負(fù)載狀況。當(dāng)碰撞次數(shù)大于等于成功次數(shù)，則說明負(fù)載大于門限值，此時(shí)需要增大CWmin和CWmax的值以減輕信道壓力，降低碰撞次數(shù)，相反的則說明負(fù)載小于門限值，需要縮減CWmin和CWmax的值，提高信道效率，增加利用率。

4.4仿真模型

參照文獻(xiàn)[5]，為了驗(yàn)證N-EDCA改進(jìn)算法的有效性，設(shè)立一個(gè)理想的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，外界影響因素如錯(cuò)碼亂碼、信號(hào)丟失等均不考慮。仿真時(shí)物理層采用802.11b。設(shè)定總共20個(gè)站點(diǎn)，開始試驗(yàn)時(shí)只有4個(gè)站點(diǎn)接入，每個(gè)站點(diǎn)均可發(fā)送語音、圖像、背景、盡力而為業(yè)務(wù)，每10s可發(fā)送的站點(diǎn)數(shù)目增加一倍，直至站點(diǎn)數(shù)目增加到20個(gè)，并保持在20個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)站點(diǎn)數(shù)量60s.對(duì)N-EDCA改進(jìn)算法和EDCA算法在各項(xiàng)業(yè)務(wù)的吞吐量進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1　EDCA與N-EDCA圖像業(yè)務(wù)吞吐量比較

從圖1可知，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的不斷增加，當(dāng)節(jié)點(diǎn)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，碰撞增加，N-EDCA算法相比較EDCA能更好地適應(yīng)，吞吐量的下降更為緩慢，相比較，N-EDCA算法在吞吐量上有明顯的提升。

5　結(jié)語

文章提出的算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載狀況來調(diào)整EDCA參數(shù)以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀況，引入了沖突概率和乘數(shù)因子，對(duì)CWmin和CWmax的值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使其根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變化情況和鏈路變化修改，并進(jìn)行了CW初始值的動(dòng)態(tài)調(diào)整。仿真結(jié)果表明此改進(jìn)算法比EDCA更好的適應(yīng)了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)情況下業(yè)務(wù)的傳送，吞吐量有了明顯提升。

參 考 文 獻(xiàn)

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*收稿日期：2015年10月7日,修回日期：2015年11月27日

作者簡介：朱智平，男，碩士研究生，研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)攻擊。萬福,男,碩士,研究方向:預(yù)警探測。

中圖分類號(hào)TP301.6

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.027

An Adaptive Parameter Adjustment Algorithm of Wireless LAN EDCA Mechanism

ZHU ZhipingWAN Fu

(Information Warefare Research Department, Naval Command Academy, Nanjing211800)

AbstractIn order to further improve the channel utilization and throughput of WLAN EDCA mechanism, a kind of EDCA parameters adaptive adjustment algorithm is put forward and simulated. This algorithm can envoys points according to the change of the network throughput, calculate the probability of conflict and adjust competition window value automatically, thus the performance of the EDCA is improved.

Key WordsEDCA adaptive parameter adjustment, probability of conflict, contention window