基于EDCA中競爭窗口的改進機制分析

1、基于EDCA中競爭窗口的改進機制分析周雯 雷維禮（電子科技大學通信與信息工程學院 成都 610054）【摘要】：增強的分布式信道接入機制(EDCA，Enhanced Distributed Channel Access)是IEEE 802.11e工作組在IEEE 802.11協(xié)議DCF機制的基礎上進行的QoS支持擴展，許多學者通過改進退避算法和自適應調整協(xié)議參數來提高EDCA的性能。本文主要分析比較其中一些基于競爭窗口（CW，Contension Windows）的改進機制。關 鍵 詞 ：EDCA；競爭窗口；退避機制。1. 引言隨著無線網絡技術的不斷發(fā)展，基于IEEE 802.11標準的無線局

2、域網近年來得到了快速、廣泛的應用。但由于各種新業(yè)務的相繼出現，對網絡性能有了更高的要求，不同業(yè)務在吞吐率、帶寬、延時等方面有著不同的要求。增強分布式信道接入機制(EDCA，Enhanced Distributed Channel Access) 是IEEE 802.11e工作組在IEEE802.11中DCF機制的基礎上進行的QoS支持擴展，MAC級QoS增強的引入使得無線局域網可以開始較好地為音頻業(yè)務和視頻業(yè)務等提供具有優(yōu)先級的支撐。但是由于網絡狀況的復雜性，EDCA中的靜態(tài)參數設置并不能使系統(tǒng)性能實現最優(yōu)，很多研究表明，在高負載狀況下由于網絡中有較高的沖突率，EDCA的性能表現并不如人意。因

3、此，對協(xié)議參數的自適應調整以保證不同網絡負載情況下的協(xié)議性能成為當前研究的熱點。其中，競爭窗口（CW, contention windows）對協(xié)議的性能有著重要影響，許多學者都在研究關于CW的自適應調整機制及相關退避算法的改進。例如，Lamia Romdhani提出的自適應EDCF機制(AEDCF，Adaptive EDCF)，Younggoo Kwon提出的快速碰撞解決機制（FCR，fast collision resolutio），以及Mohammad Malli提出的自適應公平性EDCF機制（AFEDCF，Adaptive Fair EDCF）等。本文先對IEEE 802.11e ED

4、CA中的競爭窗口CW及其相關的退避機制進行簡要概述，然后分別描述不同學者在AEDCF、FCR、AFEDCF等機制中所做的改進，并進行簡單的分析比較。2. EDCA中基于競爭窗口的退避機制概述為了保證實時業(yè)務的QoS要求，EDCA定義了8類業(yè)務類別（TC，Traffic Category）和4類基于IEEE 802.1D的接入類別（AC，Access Category），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。每類AC具有不用的仲裁

5、幀間間隔(AIFS，Arbitration Interframe Space)、最小競爭窗口值和最大競爭窗口。802.11e EDCA的基本訪問機制如圖2-1所示。從圖中可以看出，擁有較小的AIFS或競爭窗口的AC將優(yōu)先獲得無線信道的訪問權。每個發(fā)送隊列在競爭信道過程中，使用各自的, , 和最大重傳次數。當因競爭信道發(fā)生沖突時，就進入退避過程。在此過程中，將退避計數器Backoff Timer置為0,CW范圍內的任一整數值。的初始值設為。當發(fā)生碰撞時，的值就增加為，當增加到時，就維持的值不變，不再增加。當數據幀成功發(fā)送之后，將的值重置為，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

6、）減1，最先減到零的數據幀占用信道，若節(jié)點內多個AC的退避計時器同時減到零，則較高優(yōu)先級隊列的數據幀將占用信道，其他數據幀又進入新一輪的退避過程。圖2-1 802.11e EDCA的基本訪問機制3. 各種基于競爭窗口的改進機制分析3.1 AEDCF（Adaptive EDCF）Lamia Romdhani在文獻2中提出，當有多個節(jié)點競爭信道時，每次傳輸成功后將重置為會導致信道中沖突率的增加，影響網絡性能。故而提出AEDCF機制，此機制提出將沖突率作為參數，使節(jié)點中的每類業(yè)務能以自適應的方式動態(tài)更新其CW值。其中，沖突率由一定周期內沖突的數量和發(fā)包總數的比值表示，以反映出一個分布式網絡中的沖突狀

7、況，其值定義如下： 式（3-1）其中，為第j個更新周期時節(jié)點p的碰撞率因子，是在第j個更新周期中節(jié)點p產生的碰撞數，是在第j個更新周期中節(jié)點p發(fā)送的數據幀總數。的取值范圍為0,1。為減少瞬時沖突的偏差，提出平均沖突率因子，使其在一個更新周期內動態(tài)計算，以反映第j個更新周期中的平均沖突率，其計算如式（3-2）所示，其中，為碰撞平滑因子： 式（3-2） 為了使不同業(yè)務在更新其CW值時仍舊確保不同業(yè)務類別間的優(yōu)先級關系，每類業(yè)務應使用不同的參數進行CW的調整，故而提出一個乘數因子MF（Multiplicator Factor），i類業(yè)務的乘數因子MF定義如下： 式（3-3）式（3-3）使得高優(yōu)先級業(yè)

8、務用較小的MF值調整CW參數。1) 在AEDCF的退避機制中，每次成功傳送i類業(yè)務的數據幀后，并不是簡單的將重置為，而是以如下機制進行更新： 式（3-4）式(3-4)保證了一直大于等于，并且維持其接入信道的優(yōu)先級。2) 當i類業(yè)務的數據幀每一次傳送失敗時，也不再如EDCA中以二進制退避更新其，而是以IEEE 802.11e舊版本中的一個持續(xù)因子（PF,Persistence Factor）來調整CW的值，以保證較高優(yōu)先級業(yè)務擁有較小的，這樣可減少新沖突的發(fā)生幾率，故而可減少延遲： 式（3-5）AEDCF通過計算平均沖突率因子反映網絡狀況，根據該因子動態(tài)調整競爭窗口的大小。從上可以看出，成功傳送

9、后用以調整競爭窗口大小的乘數因子是一個小于等于0.8的參數值，即表明在成功傳送i類業(yè)務數據幀后，該機制緩慢的減少而不是直接重置為以避免可能的連續(xù)碰撞。而在每次發(fā)生碰撞時，AEDCF機制依照不同的優(yōu)先級以不同的增加速率調整，從而保證不同隊列間的優(yōu)先級關系，使高優(yōu)先級業(yè)務比低優(yōu)先業(yè)務能更快的搶占信道。3.2 FCR（快速碰撞解決機制）作者在文獻3中認為，為了獲得較高的吞吐量，在基于競爭的MAC機制中應具有如下特點：(i) 在當前競爭周期內，節(jié)點成功傳輸數據幀后應具有較小的隨機退避計時器， 以減少每一個競爭周期中的平均空閑時隙數。(ii) 在當前競爭周期內，推遲其數據幀傳輸的節(jié)點應具有較大的隨機退避

10、計時器，以減小碰撞幾率并避免將來可能發(fā)生的碰撞。(iii) 根據節(jié)點狀態(tài)快速調整其隨機退避計時器的值，即節(jié)點成功傳輸數據幀后，應減小其退避計時器，若節(jié)點推遲其數據幀的傳輸，則應增大退避計時器以避免未來的碰撞發(fā)生。同時，當節(jié)點在退避過程中檢測到一段連續(xù)的空閑時隙，可以指數減小退避計時器以減少平均空閑時隙。在此基礎上，作者提出了FCR機制，比較有效地解決了數據傳輸中的相互碰撞問題和在每個競爭周期中引起的空閑時隙浪費問題。在此機制中，作者將節(jié)點分為三個狀態(tài)：數據幀成功傳輸狀態(tài)，碰撞狀態(tài)和推遲傳輸狀態(tài)。另外，與IEEE 802.11e MAC相比，作者使用更小的初始最小競爭窗口和更大的最大競爭窗口，并

11、且在沖突狀態(tài)和推遲傳輸狀態(tài)都增大節(jié)點的競爭窗口，當檢測到一段連續(xù)的空閑時隙時快速減小退避計時器的值。FCR機制具體描述如下：1) 退避過程：所有節(jié)點都監(jiān)測信道，若信道空閑則退避計時器（BT）減1，當退避計時器為0時，節(jié)點傳輸隊列中的數據幀。若節(jié)點檢測到連續(xù)個空閑時隙，則快速減少退避計時器的值。如，若則。在此情況下，節(jié)點在成功傳輸數據幀后，可以減少不必要的空閑時隙的浪費，以提高信道利用率。2） 傳輸失?。喝艄?jié)點發(fā)現由于發(fā)生數據幀沖突而導致傳輸失敗，則增大競爭窗口并重新計算隨機退避計時器的取值。如，3） 傳輸成功：節(jié)點在成功傳輸數據幀后，將競爭窗口的值重置為其最小競爭窗口并重新計算退避計時器的值。

12、即，4） 推遲傳輸狀態(tài)：當節(jié)點檢測到信道被占用時，表明發(fā)生了沖突或當前信道上正有數據幀在傳輸。此時，節(jié)點將增大競爭窗口并重新計算退避計時器的值。即，通過上述方法進行改進后，FCR機制相比原MAC機制能獲得更高的吞吐量和信道利用率。在FCR機制中，節(jié)點在成功傳輸數據幀和發(fā)生數據幀沖突的時候，都要更新其競爭窗口的取值，重新計算退避計時器，以避免未來可能發(fā)生的沖突。通過這種方式，每個節(jié)點就能有效地快速解決碰撞。但是，FCR對于成功傳輸了數據的節(jié)點重新設置的窗口仍然是最小窗口，而實際上節(jié)點成功發(fā)送數據幀后, 并不意味著網絡中擁塞狀態(tài)已經解除。如果此時無線鏈路依然擁塞的話, 那么該節(jié)點由于設置了過小的競

13、爭窗口值反而會加劇擁塞程度且可能由于再次發(fā)生碰撞而再次增大自己的競爭窗口值，這樣的“多余”重復過程就會給節(jié)點帶來額外等待時間，從而影響整個無線網絡的性能。并且由于成功發(fā)送數據后的節(jié)點擁有較小的競爭窗口，從而更容易競爭占有信道，這就不能保證節(jié)點間的公平性。3.3 AFEDCF（Adaptive Fair EDCF）Mohammad Malli在文獻4中提出了一種自適應公平EDCF機制，作者認為，由于在每一競爭周期中的退避，易引起數據幀沖突和對空閑時隙的浪費，從而導致協(xié)議性能的下降。故而提出AFEDCF機制，此機制描述如下：1) 退避計時器減少狀態(tài)：在原IEEE 802.11e機制中，不同節(jié)點上的

14、所有優(yōu)先級隊列都檢測信道，若隊列i發(fā)現在一個時隙內信道是空閑的，則它將自己的退避計時器減少一個時隙的時間，即。而在AFEDCF機制中，若檢測到一段連續(xù)的空閑時隙，且剩余的退避計時器的值小于等于退避閥值（Backoff Threshold），則快速減少退避計時器。當退避計時器達到0時，節(jié)點傳送報文。即 若，則2) 數據幀沖突狀態(tài)：若一個隊列發(fā)現由于數據幀沖突而導致傳送失敗，該隊列用如下機制進行修改：(i) 使當前競爭窗口值加倍 式（3-6）(ii) 使用式（3-7）更新其 式（3-7）(iii) 使用式（3-8）減小其值 式（3-8）3) 數據幀成功傳送狀態(tài)：當一個隊列成功傳送數據幀后，仍以IE

15、EE 802.11e中的機制將當前競爭窗口值重置為，但要根據式（3-7）和式（3-8）更新其和值。從以上對AFEDCF機制的概述中可以看出，該機制主要通過自適應快速減少退避計時器的值，來減少網絡系統(tǒng)中對空閑時隙的浪費。其中退避閥值由不同優(yōu)先級隊列的CW參數計算進行動態(tài)調整，其值可以更好的反映網絡負載狀況并且更好的支持區(qū)分服務。但是，此機制比較適用于網絡負載較輕，在信道爭用過程中存在一些連續(xù)的空閑時隙的情況下，此時，AFEDCF機制能較好的避免時隙的浪費，并提供相同優(yōu)先級業(yè)務間的公平性保證。但在網絡負載較重，信道爭用較為激烈的情況下，該機制并不能較好的維護網絡性能。4. 小結IEEE 802.1

16、1e中提出的增強分布式信道接入EDCA機制，為不同優(yōu)先級的業(yè)務流提供了服務區(qū)分，使得MAC級的QoS得到增強。然而EDCA在網絡負載高時，多業(yè)務類流容易發(fā)生碰撞，系統(tǒng)吞吐量下降，特別是對中、低優(yōu)先級業(yè)務流來說，性能變壞；在網絡負載輕時，由于退避機制的靜態(tài)設置，造成不必要的延遲接入信道，使得信道利用率下降。因此許多學者研究基于EDCA的改進機制，以期獲得較好的網絡性能。本文主要分析了其中基于競爭窗口參數調整的改進機制，例如，AEDCF通過考慮網絡的狀態(tài)，引入碰撞率因子，動態(tài)的根據優(yōu)先級調整競爭窗口大小。此技術盡管強化了高優(yōu)先級的QoS性能，可是在網絡負載高的情況下，高優(yōu)先級業(yè)務仍將會產生突發(fā)碰撞

17、。FCR機制使用更小的競爭窗口值，在節(jié)點成功傳輸數據幀后更快地減小退避計時器取值，使得系統(tǒng)較少的浪費空閑時隙，提高信道利用率。但是此機制并沒有完全解決信道中的擁塞問題，反而會由于過小的窗口設置而導致信道中擁塞加劇。AFEDCF機制在EDCF基礎上應用了基于自適應退避閥值的FCR機制，提高了中、低業(yè)務流在高負載下的性能，增加了系統(tǒng)整體的吞吐量，然而在這種機制中競爭窗口CW的更新是依據IEEE 802.11e的規(guī)范，靜態(tài)設置窗口的取值，對于實時多媒體業(yè)務，存在一定的時延。參考文獻：1 IEEE 802.11 WG. Wireless medium access control (MAC) and

18、physical layer (PHY) specifications:Medium access control (MAC) enhancements for quality of service (QoS). IEEE 802.11E/D 13.0, 2005. 2 Lamia Romdhani, Qiang Ni. Adaptive EDCF: Enhanced service differentiation for IEEE 802.11 wireless ad-hoc networks. In: Proc. Of the IEEE WCNC 2003. 2003. 295629613 Y. Kwon, Y. Fang，Design of MAC Protocols with Fast Collision Resolution for Wireless Local Area Networks”. IEEE Transactions on Wireles