昝懿軒 李曉娟,2* 關 永,3 宋家東 王 瑞,5

1(首都師范大學信息工程學院 北京 100048) 2(高可靠嵌入式系統(tǒng)北京市工程研究中心 北京 100048) 3(北京成像理論與技術高精尖創(chuàng)新中心 北京 100048) 4(機械工業(yè)信息中心 北京 100823) 5(輕型工業(yè)機器人與安全驗證北京市重點實驗室 北京 100048)

0 引 言

無線網(wǎng)絡成為全球通信必不可少的組成部分,其廣泛應用和快速發(fā)展使得用戶更加關注網(wǎng)絡的協(xié)議設計以及性能體現(xiàn)。IEEE于1997年頒布802.11協(xié)議,定義了開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型的物理層和介質訪問控制層(MAC),采用帶有沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問算法(CSMA/CA)和二進制退避訪問控制，隨后分別頒布802.11b和802.11a兩個版本[1]。但傳統(tǒng)802.11協(xié)議對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)只提供盡力而為服務,且無線網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡相比信道速率較低,在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中具有較高出錯率等性質,使得無線局域網(wǎng)難以保證音視頻等多媒體業(yè)務的服務質量(Quality of Service,QoS)。

為保障不同業(yè)務對網(wǎng)絡性能的QoS需求,IEEE頒布了802.11e協(xié)議,提出混合協(xié)調(diào)功能機制(Hybrid Coordination Function,HCF),并在此基礎上實現(xiàn)了基于競爭的增強分布式信道訪問機制(Enhanced Distributed Channel Access,EDCA)和基于無競爭的混合控制信道訪問機制(HCF Controlled Channel Access,HCCA)[2]。HCCA較EDCA相比更為復雜,屬于集中式控制方法,具有可擴展性差等缺點。EDCA屬于分布式控制方法,在網(wǎng)絡健壯性等方面體現(xiàn)良好,增強了MAC級QoS保障,對不同業(yè)務類型提供了優(yōu)先級區(qū)分的信道接入傳輸服務[3],因此分布式EDCA機制成功應用于多領域并發(fā)揮了重要作用。國內(nèi)外學者大都基于EDCA進行研究,提出了多種改進方案和服務質量保證策略。

本文旨在分析基于EDCA的QoS實現(xiàn)工作機制及其相關算法模型,從功能和特性兩個維度綜述EDCA可行的優(yōu)化設計,總結當前研究存在的優(yōu)缺點,對提高網(wǎng)絡性能的不同角度文獻進行歸類分析,準確把握該領域最新研究進展,對未來發(fā)展方向和研究熱點進行總結與展望。

1 信道訪問控制機制

1.1 分布式協(xié)調(diào)控制機制

IEEE 802.11協(xié)議定義了兩種媒體訪問控制機制，其中一種為基于競爭的分布式協(xié)調(diào)控制機制(Distributed Coordination Function,DCF)[4]。節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)前首先監(jiān)聽信道,若空閑且等待一個分布式幀間間隔(Distributed Inter-frame Spacing,DIFS)后仍空閑,則節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀,否則等待忙狀態(tài)結束后啟動退避機制。DCF定義了基本模式和RTS/CTS[5]兩種數(shù)據(jù)傳輸模式,為減小節(jié)點競爭產(chǎn)生碰撞的概率，采用二進制指數(shù)退避算法[6],當節(jié)點進入退避過程時啟動退避計數(shù)器,并在區(qū)間[0,CW]上隨機選取一個整數(shù)作為其初始值,CW是動態(tài)變化的競爭窗口值,范圍定義在最小競爭窗口(CWmin)和最大競爭窗口(CWmax)之間。退避計數(shù)器在每經(jīng)過一個空閑時隙后減1,當減為0時節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀[7]。若有兩個或兩個以上計數(shù)器同時減為0且在發(fā)送數(shù)據(jù)后產(chǎn)生碰撞,此時節(jié)點的競爭窗口值將更新如式(1)所示,隨后退避計數(shù)器的值重新初始化。

CWnew=2×(CWold+1)-1

(1)

1.2 增強分布式信道訪問機制

EDCA對CSMA/CA算法進行拓展,提供了區(qū)分業(yè)務方式的參數(shù)化QoS保證[8],在保留傳統(tǒng)分布式信道競爭的情況下,定義了8種業(yè)務類別(Traffic Category,TC)和4種基于IEEE 802.1D的訪問類別(Access Category,AC)[9],其優(yōu)先級順序分別是音頻(AC_VO)、視頻(AC_VI)、盡力而為服務流(AC_BE)和背景流(AC_BK),且分別對應不同的仲裁幀間間隔(Arbitration Inter-Frame Space,AIFS)[10]。8種TC分別映射至4種AC以接入無線媒體,為各業(yè)務類型提供不同的業(yè)務等級。EDCA業(yè)務流分類如表1所示[11]。

表1 EDCA業(yè)務流分類

EDCA機制為訪問類別設置了四種參數(shù)：CWmin[AC]、CWmax[AC]、AIFS、發(fā)送機會限制(TXOP limit)。分別決定了最小最大競爭窗口值、延遲接入時間和業(yè)務可連續(xù)占用信道的時間限制,利用這四種參數(shù)達到了支持基于優(yōu)先級的QoS目的[12],其基本訪問機制如圖1所示。

圖1 IEEE 802.11e EDCA基本訪問機制

(1) 競爭窗口(CWmin、CWmax)。競爭窗口值決定數(shù)據(jù)幀的退避時間,當節(jié)點等待了一段AIFS后,退避計數(shù)器將隨機設置為[1,CW+1]區(qū)間的任意一個整數(shù)[13]。節(jié)點首次發(fā)送數(shù)據(jù)幀時競爭窗口值為CWmin,當發(fā)送失敗導致數(shù)據(jù)重傳時,窗口值變?yōu)樵瓉淼膬杀?直至等于CWmax則不再增大,且重傳達到最大次數(shù)后將丟棄該幀。

(2) 仲裁幀間間隔(AIFS)。IEEE 802.11協(xié)議規(guī)定,所有節(jié)點必須在持續(xù)檢測信道空閑一段指定的時間后才能發(fā)送數(shù)據(jù)幀,這段時間稱為幀間間隔(Inter-Frame Space,IFS)。為支持QoS保證,802.11e協(xié)議根據(jù)不同業(yè)務類型定義了不同AIFS,且高優(yōu)先級業(yè)務的AIFS小于低優(yōu)先級業(yè)務,其計算公式如式(2)所示[14]。

AIFS[AC]=SIFS+AIFSN×aSlotTime

(2)

信道空閑一段AIFS后業(yè)務發(fā)送數(shù)據(jù)幀,具有較小AIFS的高優(yōu)先級業(yè)務提前接入信道,若未收到確認幀或發(fā)生碰撞則認為發(fā)送失敗,信道忙時退避計數(shù)器停止計數(shù),直至再次空閑AIFS后重新開始,該過程如此重復直至發(fā)送成功或達到重傳限制[15]。系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務類型分別設置接入時延和退避窗口值,使隊列從開始退避等待發(fā)送數(shù)據(jù)到成功傳輸?shù)臍v時和產(chǎn)生碰撞的概率不同,實現(xiàn)了良好的區(qū)分服務。

(3) 發(fā)送機會(TXOP)。EDCA機制為避免過多信道競爭,提出了一種無競爭突發(fā)模式,若站點獲得介質訪問權限且有不止一組數(shù)據(jù)幀等待發(fā)送,則在TXOP limit之內(nèi)站點可獨自占用信道連續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀,無須再次競爭信道[16],且每次發(fā)送只需等待SIFS而不是更長的AIFS。數(shù)據(jù)幀在TXOP間隔內(nèi)發(fā)送完畢或間隔結束,信道再次進入競爭狀態(tài),該模式不僅提高了系統(tǒng)吞吐量和信道利用率,也降低了發(fā)生碰撞的概率。

TXOP結束連發(fā)數(shù)據(jù)幀具有三個條件:(1) 在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的過程中產(chǎn)生碰撞或出現(xiàn)其他錯誤;(2) 獲得發(fā)送機會的AC緩存隊列中數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢;(3) 剩余的TXOP limit不夠傳輸一個數(shù)據(jù)幀。

TXOP limit是由支持QoS的接入點在信標幀的EDCA參數(shù)集中發(fā)布,其傳輸過程如圖2所示。

圖2 TXOP傳輸過程

1.3 DCF與EDCA對比分析

DCF機制將時間域的劃分與幀格式緊密聯(lián)系在一起,確保某個時刻只有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù),其優(yōu)點是能夠保證各站點之間進行公平競爭。但隨著具有QoS功能站點數(shù)目的增多,數(shù)據(jù)接入信道之后產(chǎn)生頻繁碰撞且發(fā)送率降低,因此對實時信息等業(yè)務無法提供正常的QoS保障。EDCA機制在DCF的基礎上實現(xiàn)了服務質量支持擴展,提出了訪問類別和四種參數(shù)標準,滿足了各類業(yè)務的不同服務需求。兩種機制的具體對比分析如表2所示。

表2 DCF與EDCA對比分析

2 EDCA機制分析

接入控制機制能夠保證新業(yè)務不會降低已接入業(yè)務的服務質量,且能夠最大程度利用網(wǎng)絡資源。EDCA提供了區(qū)分業(yè)務的QoS保證,但對于接入信道方面只考慮部分因素,當網(wǎng)絡規(guī)模擴大或網(wǎng)絡拓撲處于頻繁變化時,該機制設置的靜態(tài)參數(shù)無法根據(jù)實際狀況動態(tài)調(diào)整使系統(tǒng)性能實現(xiàn)最優(yōu)。因此,參數(shù)自適應變化成為提高網(wǎng)絡性能且保證服務質量得到最大體現(xiàn)的挑戰(zhàn)性問題。

2.1 TXOP算法研究

站點發(fā)送MAC服務數(shù)據(jù)單元(MAC Service Data Unit,MSDU)檢測信道狀態(tài),DCF機制只能發(fā)送一個MSDU,成功傳輸后便失去信道使用權,若繼續(xù)發(fā)送則必須重新競爭[17]。TXOP算法的特點是站點獲取信道使用權后可無競爭地傳輸同一業(yè)務中的多個數(shù)據(jù)幀,站點中其他業(yè)務存在待發(fā)數(shù)據(jù)也無法占用所獲得的發(fā)送機會,只能等待TXOP limit結束后站點退出信道進行下一輪競爭。

與DCF中由物理層決定的固定參數(shù)不同,EDCA通過管理實體和支持QoS的接入點分配參數(shù)。高優(yōu)先級的訪問類別具有較小AIFS和CW[AC],因而隨機選擇的時隙值較小，獲得連發(fā)數(shù)據(jù)幀的機會變大[18],但低優(yōu)先級AC_BE和AC_BK的TXOP值為0,只能傳輸請求發(fā)送/允許發(fā)送幀和普通數(shù)據(jù)幀,使其更晚進入退避狀態(tài),造成信道訪問概率減小。EDCA參數(shù)具有各自優(yōu)勢,競爭窗口值的確定給各優(yōu)先級業(yè)務提供不同的接入時延,AIFS參數(shù)為業(yè)務流提供良好的區(qū)分服務,但它們并不能降低數(shù)據(jù)在高負載網(wǎng)絡中頻繁產(chǎn)生碰撞的概率。而TXOP算法的連發(fā)機制減少了各站點競爭信道的次數(shù)并利用一次競爭連續(xù)發(fā)送多幀,一定程度上改善了網(wǎng)絡整體性能。

但隨著網(wǎng)絡負載加重,固定的TXOP limit難以適應網(wǎng)絡變化,當緩存隊列中數(shù)據(jù)較多無法全部發(fā)送時須等待下一次發(fā)送機會,極易造成數(shù)據(jù)分組丟失等情況,且無線網(wǎng)絡較有線網(wǎng)絡相比更易發(fā)生難以預知的錯誤,若無法提供一種合理有效地接入控制機制,不僅難以保證新接入業(yè)務的服務質量,還會嚴重影響已有的網(wǎng)絡性能。因此改進TXOP算法是EDCA機制的一個重要研究方向。

2.2 基于競爭窗口的動態(tài)退避問題

接入機制表現(xiàn)為根據(jù)不同優(yōu)先級業(yè)務的服務質量需求定義EDCA參數(shù),使業(yè)務在競爭信道使用權時具有各自優(yōu)勢,其經(jīng)典參數(shù)設置如表3所示[19]。但對于網(wǎng)絡性能而言,這些優(yōu)勢往往是以損害低優(yōu)先級業(yè)務為代價,而動態(tài)改變競爭窗口可最大限度地避免此類問題產(chǎn)生,現(xiàn)有的QoS控制方法主要是改進退避算法[20]。

表3 EDCA經(jīng)典參數(shù)設置

合理地定義競爭窗口值有利于提高網(wǎng)絡質量,若CWmin取值較小,當訪問類別數(shù)量增多,信道競爭就越激烈,碰撞概率也逐漸變大;若CWmin取值較大,當網(wǎng)絡負載較輕時會產(chǎn)生不必要的延時,造成信道資源浪費和利用率下降。EDCA機制規(guī)定各優(yōu)先級業(yè)務的競爭窗口值只能以CWmin開始并以二進制退避的方式增大,這意味著一個站點要經(jīng)過無數(shù)次碰撞才能獲得發(fā)送機會,最終無法對實時多媒體業(yè)務提供QoS保障。為進一步提高網(wǎng)絡質量,研究人員開始提出動態(tài)調(diào)整競爭窗口的改進算法。

2.3 虛擬碰撞及其管理機制

擁有4個退避實例的節(jié)點根據(jù)802.11e定義的8個優(yōu)先級分別對應4種接入類別,若退避實例中有多個節(jié)點要求在同一時刻發(fā)送分組,則等級最高的退避實例獲得信道使用權,其余分組按發(fā)生了一次沖突處理,這種機制稱為虛擬碰撞[21],屬于節(jié)點內(nèi)部競爭機制,目的是減少發(fā)生在節(jié)點間的真實碰撞。當節(jié)點內(nèi)部同時發(fā)送多個隊列產(chǎn)生虛擬競爭,此時調(diào)度器選擇高優(yōu)先級隊列發(fā)送,若與節(jié)點外部隊列的優(yōu)先級相同才發(fā)生真正碰撞,因此,該機制極大地減小了真實碰撞的概率。

傳統(tǒng)STA(普通站點)利用DCF機制接入介質,而QSTA(支持QoS站點)利用EDCA機制接入介質。對傳統(tǒng)STA而言,發(fā)送分組時會與其他STA產(chǎn)生物理層的外部競爭,且可能產(chǎn)生碰撞。對QSTA而言,分組發(fā)送過程分為兩個步驟:

(1) 同一STA內(nèi)的訪問類別競爭信道,屬于內(nèi)部競爭,可能產(chǎn)生碰撞,且退避過程與DCF機制類似。

(2) 在第一步中獲得信道使用權的訪問類別與網(wǎng)絡中其他QSTA競爭信道,可能產(chǎn)生外部沖突。EDCA機制競爭信道過程如圖3所示[22]。

圖3 EDCA機制競爭信道

EDCA定義了兩種碰撞類型:一種是經(jīng)典碰撞(真實碰撞),發(fā)生在兩個(或多個)節(jié)點中的兩種(或多種)訪問類別同時嘗試訪問媒體時。另一種是內(nèi)部沖突(虛擬碰撞),表現(xiàn)為某節(jié)點中不同隊列的退避過程在同一時隙內(nèi)結束,優(yōu)先級最高的隊列獲得訪問介質權,而其他隊列競爭窗口加倍,類似于真實碰撞[23]。因此，碰撞管理機制有以下四種情況,如圖4所示(不顯示第四種情況):

(1) VC·RC:虛擬碰撞(Virtual Collision,VC)在某個節(jié)點內(nèi)產(chǎn)生,且在介質上發(fā)生真實碰撞(Real collision,RC),如圖4(a)所示。

(2) VC·nRC:虛擬碰撞在某節(jié)點內(nèi)產(chǎn)生,但介質上沒有發(fā)生真實碰撞,如圖4(b)所示。

(3) nVC·RC:虛擬碰撞沒有在某節(jié)點內(nèi)產(chǎn)生,但在介質上發(fā)生真實碰撞,如圖4(c)所示。

(4) nVC·nRC:不發(fā)生碰撞,節(jié)點中的隊列成功接入介質。

(a) VC·RC情況

(b) VC·nRC情況

(c) nVC·RC情況圖4 碰撞管理機制情況

碰撞管理機制可以有效地保護和提高介質使用率,但該機制仍存在缺點。當某節(jié)點同時具有AC_VO和AC_VI兩種訪問類別且發(fā)生虛擬碰撞時,具有較高優(yōu)先級的AC_VO訪問媒體,而AC_VI競爭窗口加倍。同時這兩種訪問類別具有相同的AIFS和較低的競爭窗口范圍,這將使它們之后頻繁地產(chǎn)生虛擬碰撞。

3 EDCA建模與參數(shù)改進

目前在分析EDCA性能的大量文獻中,以研究網(wǎng)絡飽和與非飽和情況為重點。網(wǎng)絡隨著節(jié)點數(shù)目的增加最終會處于飽和狀態(tài),不合理的參數(shù)設置和有限的網(wǎng)絡資源都會在一定程度上影響網(wǎng)絡整體效率。因此,無線網(wǎng)絡性能的研究熱點是飽和情況下的網(wǎng)絡狀態(tài)。

3.1 馬爾可夫理論模型

假設網(wǎng)絡中存在n個站點,信道為非理想狀態(tài)且不存在隱藏終端,可用一個二維的隨機過程表示信道中業(yè)務的退避狀態(tài),s(i,t)表示業(yè)務i在t時刻的退避階數(shù),b(i,t)表示業(yè)務i在t時刻的退避計數(shù)器值,類似于文獻[24]的模型,隨機過程可表示為{s(i,t)=j,b(i,t)=k}。其中退避階數(shù)j的取值如式(3)所示,m為最大重傳次數(shù),m0為最大退避階數(shù)。

(3)

分析EDCA性能的Markov模型狀態(tài)轉移如圖5所示。Pi為業(yè)務i在給定時隙發(fā)送數(shù)據(jù)幀的概率,Pic為業(yè)務i發(fā)送數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生碰撞的概率,Ps為某時刻節(jié)點成功發(fā)送數(shù)據(jù)幀的概率,Pib為業(yè)務i退避時檢測信道忙的概率。

圖5 Markov狀態(tài)轉移圖

業(yè)務i退避時共有CWmin種狀態(tài),EDCA模型隨機選取一種進入退避階段。Markov模型表示某種特定狀態(tài)為(i,j,k),若檢測到信道忙則保持該狀態(tài)不變。若檢測到信道空閑,則狀態(tài)轉移為(i,j,k-1),直到k減為0時發(fā)送數(shù)據(jù)幀。產(chǎn)生碰撞之后,EDCA有概率地選擇一種(i,j+1,k)狀態(tài)重新退避。當狀態(tài)轉移為(i,m,0)表示已達到最大重傳次數(shù),則丟棄該數(shù)據(jù)幀。綜合上述,可將節(jié)點發(fā)包過程用Markov鏈的非空一步轉移概率式(4)表示。式中：Wi,j為業(yè)務i在第j退避階數(shù)時的競爭窗口值。

(4)

式(4)中各等式含義如下:

1) 第一個等式表示信道連續(xù)空閑AIFS個間隔,退避計數(shù)器以1-Pib的概率減1,且發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

2) 第二個等式表示信道忙則保持原狀態(tài)不變。

3) 第三個等式表示數(shù)據(jù)幀在發(fā)送過程中產(chǎn)生碰撞,業(yè)務i轉移到下一階退避狀態(tài),并在[0,Wi,j]之間隨機產(chǎn)生一個數(shù)作為退避值。

4) 第四個等式表示數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功,下一個數(shù)據(jù)幀在[0,Wi,0]之間隨機產(chǎn)生一個數(shù)作為退避值。

5) 第五個等式表示業(yè)務i在進行m+1次發(fā)送之后重新進入退避過程。

式(4)中Wi,j與Wi,0存在如式(5)所示關系[25]。

(5)

3.2 飽和狀態(tài)下的模型分析

目前針對EDCA機制分析最常用的模型是基于Bianchi[26]提出的Markov鏈,其作用是分析理想信道條件下的DCF退避過程。該模型不考慮優(yōu)先級順序和重傳次數(shù),而假設系統(tǒng)為飽和狀態(tài),數(shù)據(jù)幀的碰撞概率相等且相互獨立,并將時隙劃分為三類,分別是空閑時隙、成功傳送時隙和發(fā)生碰撞時隙[27]。

3.2.1基于吞吐量和時延的研究

基于Bianchi模型的研究過程和分析思路,許多文獻對其進行了拓展。文獻[28]在Bianchi模型的基礎上利用離散時間Markov鏈進行建模,分析出網(wǎng)絡時延表達式,提出了最小窗口自適應調(diào)整算法,降低了沖突發(fā)生的可能性,在吞吐量和幀延遲方面有了很大改善,且吞吐量在理論上接近最大值。文獻[24]分析了EDCA設置的不同優(yōu)先級競爭窗口參數(shù)對于競爭信道是否提供了良好的區(qū)分服務，并提出一種改進模型,從飽和吞吐率、飽和延遲以及幀丟失概率等方面研究所有優(yōu)先級方案,但缺點是該模型未考慮AIFS與TXOP機制。

針對802.11e協(xié)議分析,大多以文獻[24]對Markov鏈分析網(wǎng)絡性能的研究模型為主。文獻[29]采用平均碰撞概率算法進行等效處理,提出了針對站點回退和傳輸?shù)亩S離散時間Markov過程模型以及EDCA飽和吞吐性能的精確數(shù)值模型,且該模型支持擴展到更加復雜的訪問機制中。Banchs[30-31]提出了一種基于AIFS機制的k-slot思想,利用二維Markov鏈模型對EDCA網(wǎng)絡的吞吐量和延遲進行研究,實驗分析結果幾乎與模擬一致,所有情況下的誤差都遠低于1%。文獻[32]提出了基于AIFS區(qū)分的信道吞吐率分析模型,實驗結果表明該模型在吞吐率方面的準確性優(yōu)于文獻[24]的Markov鏈模型。同時還提出DPS即類似調(diào)整每類業(yè)務的發(fā)送概率,結果表明幾乎在各種場景下都能實現(xiàn)最大信道吞吐率。文獻[33]提出了一種飽和流量負載下的二維Markov鏈模型,與現(xiàn)有分析模型相比,該模型加入更多EDCA特征,將每個退避階段中競爭窗口值的變化單獨考慮,消除了部分局限性,模型的理論分析結果與仿真結果吻合較好,具有良好的精度。

傳統(tǒng)TXOP算法規(guī)定節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)失敗后需讓出信道使用權,但這樣不僅浪費信道資源,且降低了連發(fā)機制性能。文獻[34]提出了改進的TXOP連發(fā)算法,使高吞吐量的應用程序在低吞吐量、延遲敏感的應用程序中運行時能保證更好的服務質量,但該算法沒有根據(jù)網(wǎng)絡狀況動態(tài)調(diào)整參數(shù),具有TXOP的固有缺點。文獻[35]提出了一種DA-TXOP算法,在網(wǎng)絡擁塞的狀況下增大TXOP值,在負載較輕時減小TXOP值,即根據(jù)重傳和碰撞次數(shù)動態(tài)調(diào)整發(fā)送機會值,仿真結果表明該算法較傳統(tǒng)算法相比提升了吞吐量和信道利用率,使系統(tǒng)性能有了較大改善。文獻[36]提出了改進算法ETXOP,當站點獲得發(fā)送機會時只發(fā)送少量數(shù)據(jù)幀,利用剩下的TXOP limit發(fā)送因碰撞導致重傳或其他業(yè)務中的數(shù)據(jù)幀,該算法較好地實現(xiàn)了網(wǎng)絡QoS需求。文獻[37]利用博弈論方法確定TXOP值,即在該方法中,將節(jié)點看作“玩家”，“勝者”可發(fā)送數(shù)據(jù)幀直至TXOP達到最大。

利用Markov鏈模型對TXOP算法進行改進是保證可靠服務質量的重要思路。文獻[38]使用二維Markov鏈模擬節(jié)點排隊系統(tǒng),推導出吞吐量、幀丟失概率和端到端延遲的QoS性能度量,指出根據(jù)傳輸隊列的狀態(tài)靈活地調(diào)整TXOP limit,數(shù)據(jù)結果表明該算法降低了時延和丟包率,滿足了特殊的QoS需求,在性能方面優(yōu)于EDCA原始方案。文獻[39]提出了一種基于Markov鏈性能模型分析算法和動態(tài)調(diào)整TXOP參數(shù)設置的接納控制算法D-TXOP,對網(wǎng)絡可承載的隊列施行接納控制,避免接入的業(yè)務量超過網(wǎng)絡可承載量,仿真結果表明該算法提高了系統(tǒng)信道的有效利用率和吞吐量,達到了增強網(wǎng)絡業(yè)務承載能力的目的。

3.2.2基于區(qū)分服務的研究

DCF機制的研究中多數(shù)以發(fā)送成功的競爭窗口值作為判斷依據(jù),其值越大表示負載越重。但在EDCA機制中,每種AC具有不同的競爭窗口范圍和發(fā)送機會限制,且過大的TXOP會使低優(yōu)先級業(yè)務出現(xiàn)“餓死”的情況[41]。因此,可根據(jù)重傳次數(shù)和碰撞次數(shù)動態(tài)調(diào)整TXOP并判斷網(wǎng)絡擁塞情況。

文獻[42]指出缺少對TXOP持續(xù)時間的有效配置會浪費帶寬甚至會對網(wǎng)絡性能產(chǎn)生消極影響,故提出了根據(jù)接入點隊列的平均分組數(shù)目動態(tài)調(diào)整算法。該算法在網(wǎng)絡負載加重時有效地控制了高優(yōu)先級業(yè)務的飽和峰值,提供了良好的區(qū)分服務,但無法保障普通站點的性能和分布式無線網(wǎng)絡的QoS需求。文獻[43]提出了一種快速解決碰撞算法FCR,該算法將節(jié)點分為三種狀態(tài)：數(shù)據(jù)傳輸成功狀態(tài)、碰撞狀態(tài)和延遲傳輸狀態(tài),通過修改競爭窗口值的增長算法,有效緩解了數(shù)據(jù)碰撞和空閑時隙浪費的問題,提供了保證網(wǎng)絡質量的優(yōu)先級區(qū)分服務。文獻[44]提出了一種針對不同業(yè)務類型計算AIFS的算法,實現(xiàn)了對不同優(yōu)先級業(yè)務的有效區(qū)分,一定程度上提高了系統(tǒng)吞吐量。

3.2.3基于公平性的研究

802.11e協(xié)議為不同業(yè)務定義了標準值,使低優(yōu)先級隊列在競爭接入信道時不斷“讓步”,因此EDCA的優(yōu)先級分配并沒有實現(xiàn)真正意義上的公平,針對該問題,已有相關研究從不同角度對其進行分析。文獻[45]認為對各站點采用相同TXOP參數(shù)不能有效地區(qū)分實時業(yè)務,故提出最大持續(xù)時間算法DTXOP,當下流業(yè)務(AP向STA傳輸)小于上流業(yè)務時,減少接入點占用信道的時間,提高了上下流之間接入信道時間的公平性。文獻[46]指出合適的TXOP分配算法可使信道實現(xiàn)有效共享并且滿足多媒體應用的QoS需求,因此提出了一種改進接入控制算法,當下流需求小于上流需求時能夠有效地減少業(yè)務占用信道的時間,實現(xiàn)了訪問類別之間的公平。文獻[47]提出了一種基于信道精確條件預測的動態(tài)TXOP分配算法,與標準TXOP方法相比更好地實現(xiàn)了帶寬分配并提高了網(wǎng)絡可靠性。Kim等[48-49]認為節(jié)點速率對TXOP也會產(chǎn)生影響,故提出一種基于速率的調(diào)整算法,即數(shù)據(jù)速率較低的節(jié)點比數(shù)據(jù)速率較高的節(jié)點獲得更多傳輸機會,確保兩種速率下的節(jié)點所占信道時間的平均值相同,為隊列獲得了更多發(fā)送分組的機會。

在虛擬碰撞機制中,兩個隊列在節(jié)點內(nèi)產(chǎn)生沖突使得低優(yōu)先級隊列的競爭窗口值加倍,高優(yōu)先級隊列接入信道,但如果其并未在介質上發(fā)生真實碰撞,增大低優(yōu)先級隊列的競爭窗口值是沒有意義的,同時會產(chǎn)生以下2種問題:

1) 優(yōu)先級倒置問題。持續(xù)的虛擬碰撞會導致某個隊列的競爭窗口值最終等于或大于未發(fā)生虛擬碰撞的低優(yōu)先級隊列。

2) 不公平問題。EDCA為每種優(yōu)先級分配了一組特性,這些特性對于無線局域網(wǎng)中具有相同優(yōu)先級的所有隊列是一致的,即相同優(yōu)先級的所有訪問類別具有平等訪問媒體的機會。但由于訪問類別在虛擬碰撞中產(chǎn)生不同的結果,導致相同優(yōu)先級的訪問類別無法實現(xiàn)平等的訪問機會。

文獻[19]和[50]提出了相似的改進算法,當發(fā)生圖4(b)所示情況時,低優(yōu)先級隊列的競爭窗口保持不變;當發(fā)生圖4(a)所示情況時,加倍虛擬碰撞中低優(yōu)先級隊列的競爭窗口。通過對兩種機制建模并分析吞吐量和訪問時延的變化情況,從實驗結果可以看出,在不降低介質總利用率的前提下,改進算法有效地減小了訪問類別之間的不公平性。

當數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功或到達最大重傳次數(shù)限制之后,訪問類別的競爭窗口值重置為CWmin,但一次成功的傳輸并不能判斷當前網(wǎng)絡狀態(tài),也不能斷定碰撞概率已經(jīng)減小。因此,文獻[51]提出了一種競爭窗口重置算法,即窗口值在新一輪信道競爭之前不會立即重置為CWmin,而是根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)和隊列的優(yōu)先級順序緩慢遞減到CWmin。實驗結果表明，該算法性能優(yōu)于EDCA機制,在相同優(yōu)先級的應用程序之間實現(xiàn)了高度公平。文獻[52-53]對Markov鏈理論模型進行分析,提出了解決不同優(yōu)先級以及上下行信道之間的公平性問題和競爭窗口調(diào)整算法,通過仿真驗證了該算法的有效性。

3.3 非飽和狀態(tài)下的模型分析

多媒體實時業(yè)務的應用效果體現(xiàn)了無線網(wǎng)絡QoS的可靠性,且數(shù)據(jù)流傳輸具有非飽和性質。因此,文獻[54]提出了一種分析非飽和條件下EDCA機制的服務質量模型,根據(jù)Banchs[30]得到的飽和系統(tǒng)結果分析了節(jié)點的傳播時延和發(fā)送概率,仿真驗證了該模型在各種真實源模型下的準確性,包括音頻、視頻和數(shù)據(jù)流量的典型發(fā)送過程。文獻[55]針對不同應用類型提出了一種將不飽和系統(tǒng)轉化為等效飽和系統(tǒng)的流量分析模型,計算出發(fā)送器緩沖區(qū)中的排隊延遲,分析了多種應用的回退延遲和丟包率,該模型較好地體現(xiàn)了AIFS等EDCA參數(shù)的功能。文獻[56]分析了非飽和狀態(tài)下的數(shù)據(jù)延遲,但其不足是采用了飽和狀態(tài)下的近似結果計算業(yè)務利用率,導致仿真實驗與分析結果相差較大。

4 未來研究方向

雖然現(xiàn)有的自適應參數(shù)調(diào)整算法大多可以有效地提高EDCA網(wǎng)絡服務質量,但仍有問題亟待解決,例如保證高優(yōu)先級業(yè)務競爭接入信道的同時不損害低優(yōu)先級業(yè)務。筆者對該問題和其他問題進行分析并作為未來研究方向。

1) 參數(shù)的動態(tài)變化:本文重點綜述了關于IEEE 802.11e協(xié)議中“標準值”的改進策略,研究人員對參數(shù)集設置提出了動態(tài)調(diào)整算法。但由于網(wǎng)絡具有多樣性和變化性等特點,改進策略只適用于某一種特定的網(wǎng)絡環(huán)境,在提高吞吐量的同時造成了網(wǎng)絡時延變大等問題,因此難以有效地保障各類實時業(yè)務的服務質量。當網(wǎng)絡狀況逐漸復雜時,為保證隊列成功接入信道且不影響當前的業(yè)務性能,需提供一種更加有效的接入控制算法來維持已有的網(wǎng)絡質量。對于改進方案可嘗試與更多的新型優(yōu)化算法或模型綜合考慮,使其逐漸符合未來的應用需求。

2) 虛擬碰撞機制解決策略:虛擬碰撞在提供業(yè)務區(qū)分服務的同時造成了優(yōu)先級變化以及倒置的問題,這種情況在流量不對稱時更容易產(chǎn)生。針對下一步研究方向,在保證管理機制運行良好的狀況下,實行一種更加簡便有效的調(diào)節(jié)策略,從而提高各站點間相同優(yōu)先級業(yè)務的公平性,確保實時多媒體數(shù)據(jù)的QoS支持。

3) 公平性問題研究:影響網(wǎng)絡整體性能的另一個重要因素是公平性問題。在實際條件下,吞吐量和公平性保持著一種相互制約的關系,若只考慮公平性而對所有業(yè)務類型“一視同仁”,則違背了EDCA機制提出的目的；若只考慮吞吐量因素,即高優(yōu)先級業(yè)務優(yōu)先原則,最終會耗盡低優(yōu)先級業(yè)務競爭信道的可能性,嚴重影響網(wǎng)絡業(yè)務公平。在下一步研究中,要保證所有節(jié)點的隊列滿足各自需求并遵循一定原則公平接入信道,才能使兩種指標保持在相對平衡的狀態(tài)。

5 結 語

EDCA機制較DCF機制明顯的改進是定義了一組參數(shù)集,提供了基于競爭的優(yōu)先級QoS保證,但隨著網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大,協(xié)議中的參考值無法適應網(wǎng)絡狀況并滿足業(yè)務需求,因此,針對參數(shù)的動態(tài)調(diào)整方式受到研究人員的廣泛關注。本文由介紹DCF機制過渡到EDCA機制,詳細闡述了其工作原理和各類參數(shù)設置,對比了兩種機制的特點進而分析出EDCA機制存在的優(yōu)勢與不足。從多個方面的不同角度綜述了研究者對EDCA的改進算法,總結出目前所存在的問題并給出下一步研究方向。該機制仍有大量的研究空間,其設計思想為未來無線網(wǎng)絡帶來了巨大的研究動力并將不斷優(yōu)化和促進網(wǎng)絡發(fā)展。