基于EDCA中競(jìng)爭(zhēng)窗口的改進(jìn)機(jī)制分析

1、基于EDCA中競(jìng)爭(zhēng)窗口的改進(jìn)機(jī)制分析周雯 雷維禮（電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 成都 610054）【摘要】：增強(qiáng)的分布式信道接入機(jī)制(EDCA，Enhanced Distributed Channel Access)是IEEE 802.11e工作組在IEEE 802.11協(xié)議DCF機(jī)制的基礎(chǔ)上進(jìn)行的QoS支持?jǐn)U展，許多學(xué)者通過(guò)改進(jìn)退避算法和自適應(yīng)調(diào)整協(xié)議參數(shù)來(lái)提高EDCA的性能。本文主要分析比較其中一些基于競(jìng)爭(zhēng)窗口（CW，Contension Windows）的改進(jìn)機(jī)制。關(guān) 鍵 詞 ：EDCA；競(jìng)爭(zhēng)窗口；退避機(jī)制。1. 引言隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局

2、域網(wǎng)近年來(lái)得到了快速、廣泛的應(yīng)用。但由于各種新業(yè)務(wù)的相繼出現(xiàn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有了更高的要求，不同業(yè)務(wù)在吞吐率、帶寬、延時(shí)等方面有著不同的要求。增強(qiáng)分布式信道接入機(jī)制(EDCA，Enhanced Distributed Channel Access) 是IEEE 802.11e工作組在IEEE802.11中DCF機(jī)制的基礎(chǔ)上進(jìn)行的QoS支持?jǐn)U展，MAC級(jí)QoS增強(qiáng)的引入使得無(wú)線局域網(wǎng)可以開(kāi)始較好地為音頻業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)等提供具有優(yōu)先級(jí)的支撐。但是由于網(wǎng)絡(luò)狀況的復(fù)雜性，EDCA中的靜態(tài)參數(shù)設(shè)置并不能使系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)，很多研究表明，在高負(fù)載狀況下由于網(wǎng)絡(luò)中有較高的沖突率，EDCA的性能表現(xiàn)并不如人意。因

3、此，對(duì)協(xié)議參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整以保證不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下的協(xié)議性能成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。其中，競(jìng)爭(zhēng)窗口（CW, contention windows）對(duì)協(xié)議的性能有著重要影響，許多學(xué)者都在研究關(guān)于CW的自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制及相關(guān)退避算法的改進(jìn)。例如，Lamia Romdhani提出的自適應(yīng)EDCF機(jī)制(AEDCF，Adaptive EDCF)，Younggoo Kwon提出的快速碰撞解決機(jī)制（FCR，fast collision resolutio），以及Mohammad Malli提出的自適應(yīng)公平性EDCF機(jī)制（AFEDCF，Adaptive Fair EDCF）等。本文先對(duì)IEEE 802.11e ED

4、CA中的競(jìng)爭(zhēng)窗口CW及其相關(guān)的退避機(jī)制進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，然后分別描述不同學(xué)者在AEDCF、FCR、AFEDCF等機(jī)制中所做的改進(jìn)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析比較。2. EDCA中基于競(jìng)爭(zhēng)窗口的退避機(jī)制概述為了保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS要求，EDCA定義了8類(lèi)業(yè)務(wù)類(lèi)別（TC，Traffic Category）和4類(lèi)基于IEEE 802.1D的接入類(lèi)別（AC，Access Category），8類(lèi)TC分別映射至4類(lèi)AC的隊(duì)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)。每類(lèi)AC具有不用的仲裁

5、幀間間隔(AIFS，Arbitration Interframe Space)、最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值和最大競(jìng)爭(zhēng)窗口。802.11e EDCA的基本訪問(wèn)機(jī)制如圖2-1所示。從圖中可以看出，擁有較小的AIFS或競(jìng)爭(zhēng)窗口的AC將優(yōu)先獲得無(wú)線信道的訪問(wèn)權(quán)。每個(gè)發(fā)送隊(duì)列在競(jìng)爭(zhēng)信道過(guò)程中，使用各自的, , 和最大重傳次數(shù)。當(dāng)因競(jìng)爭(zhēng)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(jì)數(shù)器Backoff Timer置為0,CW范圍內(nèi)的任一整數(shù)值。的初始值設(shè)為。當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，的值就增加為，當(dāng)增加到時(shí)，就維持的值不變，不再增加。當(dāng)數(shù)據(jù)幀成功發(fā)送之后，將的值重置為，繼續(xù)偵聽(tīng)信道。退避計(jì)時(shí)器每檢測(cè)到一個(gè)空閑時(shí)隙，其值（BT

6、）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(jí)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(guò)程。圖2-1 802.11e EDCA的基本訪問(wèn)機(jī)制3. 各種基于競(jìng)爭(zhēng)窗口的改進(jìn)機(jī)制分析3.1 AEDCF（Adaptive EDCF）Lamia Romdhani在文獻(xiàn)2中提出，當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)，每次傳輸成功后將重置為會(huì)導(dǎo)致信道中沖突率的增加，影響網(wǎng)絡(luò)性能。故而提出AEDCF機(jī)制，此機(jī)制提出將沖突率作為參數(shù)，使節(jié)點(diǎn)中的每類(lèi)業(yè)務(wù)能以自適應(yīng)的方式動(dòng)態(tài)更新其CW值。其中，沖突率由一定周期內(nèi)沖突的數(shù)量和發(fā)包總數(shù)的比值表示，以反映出一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)中的沖突狀

7、況，其值定義如下： 式（3-1）其中，為第j個(gè)更新周期時(shí)節(jié)點(diǎn)p的碰撞率因子，是在第j個(gè)更新周期中節(jié)點(diǎn)p產(chǎn)生的碰撞數(shù)，是在第j個(gè)更新周期中節(jié)點(diǎn)p發(fā)送的數(shù)據(jù)幀總數(shù)。的取值范圍為0,1。為減少瞬時(shí)沖突的偏差，提出平均沖突率因子，使其在一個(gè)更新周期內(nèi)動(dòng)態(tài)計(jì)算，以反映第j個(gè)更新周期中的平均沖突率，其計(jì)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(wù)在更新其CW值時(shí)仍舊確保不同業(yè)務(wù)類(lèi)別間的優(yōu)先級(jí)關(guān)系，每類(lèi)業(yè)務(wù)應(yīng)使用不同的參數(shù)進(jìn)行CW的調(diào)整，故而提出一個(gè)乘數(shù)因子MF（Multiplicator Factor），i類(lèi)業(yè)務(wù)的乘數(shù)因子MF定義如下： 式（3-3）式（3-3）使得高優(yōu)先級(jí)業(yè)

8、務(wù)用較小的MF值調(diào)整CW參數(shù)。1) 在AEDCF的退避機(jī)制中，每次成功傳送i類(lèi)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)幀后，并不是簡(jiǎn)單的將重置為，而是以如下機(jī)制進(jìn)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(jí)。2) 當(dāng)i類(lèi)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)幀每一次傳送失敗時(shí)，也不再如EDCA中以二進(jìn)制退避更新其，而是以IEEE 802.11e舊版本中的一個(gè)持續(xù)因子（PF,Persistence Factor）來(lái)調(diào)整CW的值，以保證較高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)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(guò)計(jì)算平均沖突率因子反映網(wǎng)絡(luò)狀況，根據(jù)該因子動(dòng)態(tài)調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小。從上可以看出，成功傳送

9、后用以調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口大小的乘數(shù)因子是一個(gè)小于等于0.8的參數(shù)值，即表明在成功傳送i類(lèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)幀后，該機(jī)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(shí)，AEDCF機(jī)制依照不同的優(yōu)先級(jí)以不同的增加速率調(diào)整，從而保證不同隊(duì)列間的優(yōu)先級(jí)關(guān)系，使高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)比低優(yōu)先業(yè)務(wù)能更快的搶占信道。3.2 FCR（快速碰撞解決機(jī)制）作者在文獻(xiàn)3中認(rèn)為，為了獲得較高的吞吐量，在基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC機(jī)制中應(yīng)具有如下特點(diǎn)：(i) 在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)成功傳輸數(shù)據(jù)幀后應(yīng)具有較小的隨機(jī)退避計(jì)時(shí)器， 以減少每一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)周期中的平均空閑時(shí)隙數(shù)。(ii) 在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)周期內(nèi)，推遲其數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)應(yīng)具有較大的隨機(jī)退避

10、計(jì)時(shí)器，以減小碰撞幾率并避免將來(lái)可能發(fā)生的碰撞。(iii) 根據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)快速調(diào)整其隨機(jī)退避計(jì)時(shí)器的值，即節(jié)點(diǎn)成功傳輸數(shù)據(jù)幀后，應(yīng)減小其退避計(jì)時(shí)器，若節(jié)點(diǎn)推遲其數(shù)據(jù)幀的傳輸，則應(yīng)增大退避計(jì)時(shí)器以避免未來(lái)的碰撞發(fā)生。同時(shí)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在退避過(guò)程中檢測(cè)到一段連續(xù)的空閑時(shí)隙，可以指數(shù)減小退避計(jì)時(shí)器以減少平均空閑時(shí)隙。在此基礎(chǔ)上，作者提出了FCR機(jī)制，比較有效地解決了數(shù)據(jù)傳輸中的相互碰撞問(wèn)題和在每個(gè)競(jìng)爭(zhēng)周期中引起的空閑時(shí)隙浪費(fèi)問(wèn)題。在此機(jī)制中，作者將節(jié)點(diǎn)分為三個(gè)狀態(tài)：數(shù)據(jù)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(jìng)爭(zhēng)窗口和更大的最大競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口，當(dāng)檢測(cè)到一段連續(xù)的空閑時(shí)隙時(shí)快速減小退避計(jì)時(shí)器的值。FCR機(jī)制具體描述如下：1) 退避過(guò)程：所有節(jié)點(diǎn)都監(jiān)測(cè)信道，若信道空閑則退避計(jì)時(shí)器（BT）減1，當(dāng)退避計(jì)時(shí)器為0時(shí)，節(jié)點(diǎn)傳輸隊(duì)列中的數(shù)據(jù)幀。若節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到連續(xù)個(gè)空閑時(shí)隙，則快速減少退避計(jì)時(shí)器的值。如，若則。在此情況下，節(jié)點(diǎn)在成功傳輸數(shù)據(jù)幀后，可以減少不必要的空閑時(shí)隙的浪費(fèi)，以提高信道利用率。2） 傳輸失敗：若節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)由于發(fā)生數(shù)據(jù)幀沖突而導(dǎo)致傳輸失敗，則增大競(jìng)爭(zhēng)窗口并重新計(jì)算隨機(jī)退避計(jì)時(shí)器的取值。如，3） 傳輸成功：節(jié)點(diǎn)在成功傳輸數(shù)據(jù)幀后，將競(jìng)爭(zhēng)窗口的值重置為其最小競(jìng)爭(zhēng)窗口并重新計(jì)算退避計(jì)時(shí)器的值。

12、即，4） 推遲傳輸狀態(tài)：當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到信道被占用時(shí)，表明發(fā)生了沖突或當(dāng)前信道上正有數(shù)據(jù)幀在傳輸。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)將增大競(jìng)爭(zhēng)窗口并重新計(jì)算退避計(jì)時(shí)器的值。即，通過(guò)上述方法進(jìn)行改進(jìn)后，F(xiàn)CR機(jī)制相比原MAC機(jī)制能獲得更高的吞吐量和信道利用率。在FCR機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)在成功傳輸數(shù)據(jù)幀和發(fā)生數(shù)據(jù)幀沖突的時(shí)候，都要更新其競(jìng)爭(zhēng)窗口的取值，重新計(jì)算退避計(jì)時(shí)器，以避免未來(lái)可能發(fā)生的沖突。通過(guò)這種方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)就能有效地快速解決碰撞。但是，F(xiàn)CR對(duì)于成功傳輸了數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)重新設(shè)置的窗口仍然是最小窗口，而實(shí)際上節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)幀后, 并不意味著網(wǎng)絡(luò)中擁塞狀態(tài)已經(jīng)解除。如果此時(shí)無(wú)線鏈路依然擁塞的話, 那么該節(jié)點(diǎn)由于設(shè)置了過(guò)小的競(jìng)

13、爭(zhēng)窗口值反而會(huì)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(jìng)爭(zhēng)窗口值，這樣的“多余”重復(fù)過(guò)程就會(huì)給節(jié)點(diǎn)帶來(lái)額外等待時(shí)間，從而影響整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能。并且由于成功發(fā)送數(shù)據(jù)后的節(jié)點(diǎn)擁有較小的競(jìng)爭(zhēng)窗口，從而更容易競(jìng)爭(zhēng)占有信道，這就不能保證節(jié)點(diǎn)間的公平性。3.3 AFEDCF（Adaptive Fair EDCF）Mohammad Malli在文獻(xiàn)4中提出了一種自適應(yīng)公平EDCF機(jī)制，作者認(rèn)為，由于在每一競(jìng)爭(zhēng)周期中的退避，易引起數(shù)據(jù)幀沖突和對(duì)空閑時(shí)隙的浪費(fèi)，從而導(dǎo)致協(xié)議性能的下降。故而提出AFEDCF機(jī)制，此機(jī)制描述如下：1) 退避計(jì)時(shí)器減少狀態(tài)：在原IEEE 802.11e機(jī)制中，不同節(jié)點(diǎn)上的

14、所有優(yōu)先級(jí)隊(duì)列都檢測(cè)信道，若隊(duì)列i發(fā)現(xiàn)在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)信道是空閑的，則它將自己的退避計(jì)時(shí)器減少一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間，即。而在AFEDCF機(jī)制中，若檢測(cè)到一段連續(xù)的空閑時(shí)隙，且剩余的退避計(jì)時(shí)器的值小于等于退避閥值（Backoff Threshold），則快速減少退避計(jì)時(shí)器。當(dāng)退避計(jì)時(shí)器達(dá)到0時(shí)，節(jié)點(diǎn)傳送報(bào)文。即 若，則2) 數(shù)據(jù)幀沖突狀態(tài)：若一個(gè)隊(duì)列發(fā)現(xiàn)由于數(shù)據(jù)幀沖突而導(dǎo)致傳送失敗，該隊(duì)列用如下機(jī)制進(jìn)行修改：(i) 使當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)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(shù)據(jù)幀成功傳送狀態(tài)：當(dāng)一個(gè)隊(duì)列成功傳送數(shù)據(jù)幀后，仍以IE

15、EE 802.11e中的機(jī)制將當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)窗口值重置為，但要根據(jù)式（3-7）和式（3-8）更新其和值。從以上對(duì)AFEDCF機(jī)制的概述中可以看出，該機(jī)制主要通過(guò)自適應(yīng)快速減少退避計(jì)時(shí)器的值，來(lái)減少網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中對(duì)空閑時(shí)隙的浪費(fèi)。其中退避閥值由不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的CW參數(shù)計(jì)算進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，其值可以更好的反映網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況并且更好的支持區(qū)分服務(wù)。但是，此機(jī)制比較適用于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕，在信道爭(zhēng)用過(guò)程中存在一些連續(xù)的空閑時(shí)隙的情況下，此時(shí)，AFEDCF機(jī)制能較好的避免時(shí)隙的浪費(fèi)，并提供相同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)間的公平性保證。但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重，信道爭(zhēng)用較為激烈的情況下，該機(jī)制并不能較好的維護(hù)網(wǎng)絡(luò)性能。4. 小結(jié)IEEE 802.1

16、1e中提出的增強(qiáng)分布式信道接入EDCA機(jī)制，為不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)流提供了服務(wù)區(qū)分，使得MAC級(jí)的QoS得到增強(qiáng)。然而EDCA在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高時(shí)，多業(yè)務(wù)類(lèi)流容易發(fā)生碰撞，系統(tǒng)吞吐量下降，特別是對(duì)中、低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流來(lái)說(shuō)，性能變壞；在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕時(shí)，由于退避機(jī)制的靜態(tài)設(shè)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(xué)者研究基于EDCA的改進(jìn)機(jī)制，以期獲得較好的網(wǎng)絡(luò)性能。本文主要分析了其中基于競(jìng)爭(zhēng)窗口參數(shù)調(diào)整的改進(jìn)機(jī)制，例如，AEDCF通過(guò)考慮網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，引入碰撞率因子，動(dòng)態(tài)的根據(jù)優(yōu)先級(jí)調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口大小。此技術(shù)盡管強(qiáng)化了高優(yōu)先級(jí)的QoS性能，可是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高的情況下，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)仍將會(huì)產(chǎn)生突發(fā)碰撞

17、。FCR機(jī)制使用更小的競(jìng)爭(zhēng)窗口值，在節(jié)點(diǎn)成功傳輸數(shù)據(jù)幀后更快地減小退避計(jì)時(shí)器取值，使得系統(tǒng)較少的浪費(fèi)空閑時(shí)隙，提高信道利用率。但是此機(jī)制并沒(méi)有完全解決信道中的擁塞問(wèn)題，反而會(huì)由于過(guò)小的窗口設(shè)置而導(dǎo)致信道中擁塞加劇。AFEDCF機(jī)制在EDCF基礎(chǔ)上應(yīng)用了基于自適應(yīng)退避閥值的FCR機(jī)制，提高了中、低業(yè)務(wù)流在高負(fù)載下的性能，增加了系統(tǒng)整體的吞吐量，然而在這種機(jī)制中競(jìng)爭(zhēng)窗口CW的更新是依據(jù)IEEE 802.11e的規(guī)范，靜態(tài)設(shè)置窗口的取值，對(duì)于實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)，存在一定的時(shí)延。參考文獻(xiàn)：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