基于IEEE 802.11標準的無線局域網近年來得到了快速、廣泛的應用，受到設備制造廠商的普遍支持。大多數網絡均采用了IEEE 802.11 DCF 協議[1]。盡管DCF(Distributed Coordination Function)協議可以比較方便地組建網絡,但由于各種新業務的相繼出現,對網絡性能有了更高的要求，不同業務在吞吐率、帶寬、延時等方面有著不同的要求。為了在 MAC 層為網絡業務傳輸提供一定程度的 QoS 服務支持,IEEE 802.11 工作組在 DCF 協議的基礎上進一步推出EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)協議。EDCA可以為不同類型的業務提供有優先級區分的信道接入傳輸服務，以使得網絡中高優先級實時業務獲得較低優先級普通業務優先的 MAC 層傳輸。
    由于網絡狀況的復雜性，EDCA中的靜態參數設置并不能使系統性能實現最優,很多研究表明[2-4]，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。因此，對協議參數的自適應調整以保證不同網絡負載情況下的協議性能成為當前研究的熱點。其中節點競爭發送機會TXOP(Transmission Opportunity)[1]對協議的性能有著重要影響，許多研究[3-4]對不同信道情況的TXOP設定進行了研究和實驗分析，但它們僅通過設定具體值進行比較分析，并沒有提出對TXOP的設置方法。本文先對EDCA的業務分級策略和工作方式進行了研究和分析，然后根據碰撞和重傳次數提出動態調整 TXOP 參數設置的控制算法DA-TXOP(dynamic adjust TXOP)。它能夠在網絡擁塞時提高TXOP值，在系統負載較輕的情況下減小TXOP的值。
1 IEEE 802.11e EDCA機制分析
1.1 EDCA機制的業務分級策略及工作方式
    EDCA協議是在DCF協議基礎上經過QoS支持擴展而來的，能夠對不同的優先級業務提供不同的QoS服務。IEEE 802.11e EDCA定義了8類業務類TC(Traffic Category)和4類接入類別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。表1為優先級和接入類別的映射關系。

　不同的AC采用不同的參數設置控制其信道接入傳輸過程,這些參數包括CWmin/CWmax、AIFS 以及TXOP。AIFS由DIFS 擴展而來,其大小由式(1)確定:
    
其中AIFS[ACi]是AIFS[i]中包含的時隙個數，aSlotTime是時隙時間。EDCA為不同的業務定義了不同大小的CWmin和CWmax。這樣當業務回退時，擁有較小競爭窗口的業務就會比較快地回退，盡早地占用信道發送數據，從而擁有較高的優先級。高優先級的AC通常采用較小的AIFS設置。TXOP機制用于節點在成功獲得信道占用權之后,無競爭地突發傳輸多個同一AC隊列中的數據。突發傳輸的持續時間長度受參數設置 TXOPlimit 的限制。節點在TXOPlimit 時間內享有持續的信道占用權，可以直接進行數據傳輸而無須再為每個數據傳輸執行退避過程。顯然，越小的CWmin、CWmax和AIFS則意味著站點可以以更大的幾率接入信道，從而對應的優先級也越高。
    802.11e EDCA的基本訪問機制如圖1所示。從圖中可以看出,不同AC的AIFS間隔與其他幀間間隔的關系，一個AIFS至少是一個DIFS的時間。在EDCA中，退避計數器的取值范圍為[0，CW-1]，其中不同的AC擁有不同的CW。

     CWmin、CWmax、AIFS和TXOP應該結合在一起進行設置。需要注意的是：為高優先等級數據設置的CWmax值與AIFS值之和應該大于為低優先等級數據設置的CWmix值與AIFS值之和，這樣，低優先級業務就不會完全被封鎖。
1.2  EDCA的TXOP機制
　采用 TXOP 機制，節點在成功競爭獲得信道傳輸機會之后將連續傳輸多個數據。各個站點在檢測到信道空閑時，發送的是MAC服務數據單元MSDU（MAC Service Data Unit），IEEE 802.11 DCF機制每次只允許發送一個MSDU數據單元，發送成功后站點失去信道，如果想要發送下一個數據就需要進行新一輪的信道競爭。而EDCA中的TXOP機制就是允許站點在一定的時間（TXOPlimit）內發送多個MSDU而無需再次競爭信道，可以間隔 SIFS 時間連續地傳輸 TXOPN[i]個數據，如圖2所示，這種機制可以降低連續發送數據的點到點時延，提高信道的利用率。EDCA中的TXOP機制也可以稱為競爭空閑脈沖CFB（Contention Free Bursting）模式。

    TXOP通過競爭產生或通過HCF授權,研究實驗證明TXOP[AC]不應超過傳送最大尺寸的數據幀的時間。由IEEE 802.11e EDCA為每個AC典型配置的TXOP[1]見表2，其中盡力而為業務和背景業務的TXOP為零，這表示它們除了傳送RTS/CTS幀只能發送一個數據幀了。EDCA機制能夠很好地支持高優先級業務傳輸。

    除了使用HCF為各個AC設定的TXOP的值之外，許多研究都對不同信道情況下的TXOP設定進行了研究和實驗分析。參考文獻[5]中對系統飽和下CFB的性能分析后指出，系統在飽和狀態下，CFB增加了區分業務的能力，提高了系統性能。參考文獻[6]中分析：系統在非飽和狀態下，CFB能明顯地降低視頻數據和語音業務的時延，系統整體丟包率明顯減少。CFB增加了區分業務的能力，提高了系統性能。CFB模式下系統以犧牲低優先級的業務為代價保證了高優先級業務的服務質量。
     可以得出，節點的TXOPN[i]參數設置得越大，信道的有效利用率就越大，同等情況下系統可以承載更多的業務數據傳輸。但是增大TXOPN[i]后卻帶來了另一個問題：節點的數據傳輸延遲隨著TXOPN[i]的增加而增加。當網絡中存在延遲敏感的業務時。延遲的增加將導致節點在傳輸這些業務時無法滿足其延遲方面的QoS要求。因此，TXOPN[i]參數的設置需要考慮增強系統吞吐量性能和保證數據傳輸延遲要求兩者之間的相互制約關系。
2 改進的EDCA中的TXOP機制

     上一小節可知：隨著網絡負荷的增加，系統的吞吐量減少，提高TXOP的值可以提高系統的吞吐量。如果網絡擁塞，增加TXOP的值可能會提高系統吞吐量。然而過大的TXOP會使低優先級業務出現“餓死”狀態。因此，根據碰撞和重傳次數來動態調整TXOP參數設置的控制算法DA-TXOP(dynamic adjust  TXOP)，能夠在網絡擁塞時提高TXOP值，在系統負載較輕的情況下減小TXOP的值。
    在判定網絡負載的方法上，對傳統的DCF機制的研究中,很多方案會根據成功發送時的窗口階來判定，窗口越大說明網絡負載較重。但是在EDCA中，每個AC具有各自不同的競爭窗口范圍，尤其是高優先級業務，其窗口范圍可能小于一個階,而且TXOP是屬于每個AC的參數,需要根據不同AC運算出不同結果的通用方法。
　　基于以上考慮，本文采用了數據發送過程中遇到碰撞和需要重傳的次數來判定網絡擁塞狀況的方法。為每個AC設置自己的一個計數器count，初始值為0，它有兩種增值途徑:(1)每當數據發送前發生了碰撞，count就加1;(2)在信道上發送數據后，沒有收到ACK幀，需要重傳時count也加1。這需要在網絡狀態比較正常和平穩時，每個AC設定一個基準COUNT值，一次發送數據的count與COUNT作比較，如果比它大，說明網絡比較擁塞。另外，為了保證TXOP運算后結果的安全，DA-TXOP還引入了傳輸因子TF（Transmission Factor），用來對運算結果進行緩沖，它由各個AC根據自己的情況來設定。每個AC擁有自己的TXOPlimit_min和TXOPlimit_max來限制TXOP的邊界值。TXOP的運算方式如式(2)所示。
  
       send(data,CW,TXOP);
     if(收到ACK)
     { count=0;
           N=0;
           Return;
     }
     if(超時)
     {  N++;
             count=0;
            count+=N;
        }
         Return;}
其中N代表數據重傳次數，count和N的初始值都為0，count記錄的是本數據發送過程中的重傳次數和數據發送成功的那次的碰撞次數，因為這兩個量可以在一定程度上表示出當前網絡的擁塞程度，count越大，表明網絡要發送數據的節點數目越多。由圖3所示DA-TXOP接入流程圖可以清晰地看出它的工作原理。

     由分析可以得出，當網絡節點較多時，本次傳送的TXOP會增加，符合提高系統吞吐量的要求，當網絡節點較少時，TXOP值也會相應地減少，以便防止網絡在不太擁塞情況下，低優先級業務也會被“餓死”的情況出現。因此控制算法DA-TXOP能夠根據網絡當前的狀況來動態確定TXOP的值,在一定程度上提高了系統的吞吐量。
3 性能仿真分析
　為了驗證本文提出的TXOP優化算法的性能,采用網絡仿真平臺進行仿真分析。仿真設置如表3所示。

    此外,假定各優先級業務數據到達率為100 packets/s，AC1和AC2的平均傳輸延遲限制分別設定為100 ms和 200 ms，數據丟失率均小于3%。選取的仿真對象為系統吞吐量和信道利用率。
　圖4為系統吞吐量的仿真結果，由仿真結果可見，當優先級 2 業務流數量增加到15時,不采用DA-TXOP算法的網絡進入了飽和狀態，網絡的系統吞吐量隨著優先級 2 業務流數量的增加有所降低，已經無法得到 QoS 保證。而對于采用了 DA-TXOP 算法的網絡，網絡的系統吞吐量隨著優先級 2 業務流數量得到很大的提升，系統性能有很大的改善。
    圖5為業務流增加過程系統信道利用率的仿真結果。由仿真結果可見，當優先級 2 業務流數量增加到14時,不采用DA-TXOP算法的網絡的信道利用率隨著優先級2業務流數量的增加有所降低，而對于采用了DA-TXOP 算法的網絡，由于算法的動態調整，信道的利用率始終維持在臨近飽和區域。

    本文針對IEEE802.11e EDCA 中TXOP機制不能很好地保證QoS要求的問題，給出動態調整TXOP參數設置的控制算法DC-TXOP，并對其進行了分析和仿真。改進機制根據碰撞和重傳次數動態調整 TXOP參數在一定程度上提高了系統的吞吐量和信道的有效利用率，能夠很好地保證QoS要求。
參考文獻
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