無線局域網EDCA機制的一種自適應參數調整改進算法*

朱智平　萬　福

(海軍指揮學院信息戰研究系　南京　211800)

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無線局域網EDCA機制的一種自適應參數調整改進算法*

朱智平萬福

(海軍指揮學院信息戰研究系南京211800)

摘要為了進一步提高無線局域網EDCA機制信道利用率和吞吐率，提出一種EDCA參數的自適應調整改進算法并進行了仿真，該算法可使節點根據網絡吞吐量變化情況，計算出沖突概率自動調節競爭窗口值，從而提高EDCA的性能。

關鍵詞EDCA自適應參數調整; 沖突概率; 競爭窗口

Class NumberTP301.6

1　引言

傳統的以太網采用CSMA/CD機制，而在無線局域網中，信號強度衰減，沖突檢測變得困難，原因在于：節點隱藏，如兩個相反方向的工作站要利用一個中心接入點來進行連接，這兩個站都能偵測到中心接入點，而相反間則可能由于障礙或距離原因無法感知到對方的存在。為了解決這一問題，最初的IEEE 802.11標準定義了兩種訪問機制：分布式協調功能(DCF)和集中控制訪問機制(PCF)。DCF的核心是CSMA/CA機制，其主要包括三個方面的內容：載波偵聽、幀間間隔和隨機退避。其中，DCF沒有進行業務區分，所有業務在同一個優先級下競爭信道，它僅僅能夠做到“盡力而為”。而不斷發展的視頻、語音等實時業務需求對WLAN提出了更高的要求。

2　IEEE 802.11e EDCA機制[10]

為了增加WLAN對服務質量(Quality of Service，QoS)的支持，IEEE 802.11e對媒體介入控制(MAC)層協議進行了改進，使其可支持QoS要求的應用，對DCF在QoS的支持方面做了加強，通過設置優先級，既可保證大帶寬的通信質量，同時又能做到向下兼容IEEE 802.11設備。其加強后的標準成為分布式通道存取(Enhanced Distributed Channel Access，EDCA)。

IEEE 802.11e把業務分為四個隊列(AC)，八個傳輸優先級(UP)，八個UP映射到這四個AC上面去，較高優先級的業務優先接入信道。

EDCA的主要特點如下。

1) 為避免沖突，MAC層規定所有站在完成發送后必須等待一個很短時間(繼續偵聽)才能發送下一幀，這個時間稱為幀間間隔(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則可以根據業務類型的不同而變化。優先級較高的業務其AIFS值越小，業務能比一般的數據通信更快地接入網絡，從而實現實時通信。AIFS的計算方式如下：

AIFS=SIFS+AIFSN×tslot

其中，SIFS為固定值，而AIFSN是由業務的優先級決定的一個整數，業務的優先級越高，其值越小，節點能更快的接入信道。slot為一個時隙值。

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有關的參數，所以CW值也不盡相同。四個AC分別對應為：AC-BK(背景)、AC-BE(盡力而為)、AC-VI(視頻)、AC-VO(音頻)，其優先級依次越來越高，CWmin值與CWmax值也就越小，意味著站點以更大的概率接入信道。具體參數[8]設置見表1。

表1　IEEE 802.11各隊列參數設置

3) 傳輸機會[3](Transmission Opportunity，TXOP)，站點通過競爭得到傳輸機會，然后EDCA模式應用XTOP Limit來決定傳輸幀數量的最大值，同時也由此決定每個AC占用通信信道的最大持續時間。由于在一次傳輸完成后，AC依然保持接通的權利，擁有相同AC的數據業務可以直接繼續占用通道發送數據，而這個傳送數據的時間由TXOP Limit來限制，每個不同的AC其TXOP Limit都不同。這一機制減少了一系列數據傳送所要花費的額外開銷，有效提升了系統的吞吐量性能。

3　IEEE 802.11e EDCA機制存在的缺陷及原因

3.1EDCA機制存在的缺陷

然而，由于EDCA中的參數AIFS、TXOP、CWmin、CWmax是靜態設置的，在面對負載較多，節點數目較多且鏈路動態多變的網絡環境下，由于無線網絡中較大的沖突概率，因此顯得并不實用，其更適用于負載不多，節點數目不多，沖突較少的網絡環境。在音視頻服務越來越普遍的今天，EDCA顯然已經限制了發展，且優先級較低的業務也受到了很大限制。因此，動態地調整EDCA參數以使其適應無線局域網的QoS需求正成為研究提高網絡性能的一個熱點，參數配置是有效利用信道資源的關鍵，合理的參數調節方案更加有利于系統性能的有效發揮。

3.2EDCA機制缺陷的原因

分析一下當網絡情況復雜，節點數目較多的時候，EDCA性能下降的原因：由于幀頭(具體幀結構見表2)開銷和幀間間隔占用了一部分信道的傳輸時間，且網絡情況變得復雜的時候，節點之間的沖突增加，導致信道的吞吐率下降。此外，EDCA是以犧牲低優先級業務的基礎上來保證高優先級業務的優先傳輸的，在這種情況下，無論是高優先級業務還是低優先級業務都無法得到保障。因為EDCA中優先保障的音視頻業務其幀長都較短，而它們的傳輸開銷又較大，對于BK、BE業務而言，其幀間間隔和競爭窗口值都較大，也就意味著其空閑時隙增大，從而導致了整個網絡信道的吞吐率降低。

表2幀結構

4　自適應參數調整改進算法

在EDCA機制中，當有多個節點競爭通信信道時，每次傳輸成功后，節點將CW重置為CWmin，不能根據負載情況動態設置，這樣的退避機制在高負載情況下會導致碰撞增加，降低網絡性能。文章提出N-EDCA算法將節點的沖突概率CP作為調整參數的依據，使節點中的業務能夠自適應地動態更新參數。

4.1沖突概率的計算

按照文獻[2]，沖突概率CP用單位時間內產生沖突了的數據包數量與所有已發送的數據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來減少因瞬時沖突計算出來的CP的誤差：

CPt[T]=a×CPt[T-1]+(1-a)×CP

使用沖突概率因子CPt來與節點設定的閾值L比較，若CPt大于L，則說明網絡負載過重，需增大CW值以緩解沖突。反之則表明網絡比較空閑，可減小CW值以更好的利用信道資源。

每當節點發生沖突的時候，CW值不是簡單的加倍增長，而是根據沖突概率CP算出一個乘數因子γ，再使用上次的CW值乘以該因子，γ的計算公式為

γ=β[AC]×CP

其中，β[AC]可以實現不同優先等級業務的區分，優先級越高，其值越小，還可以根據管理者的需求進行修改。

4.2競爭窗口CW值的自適應調整

在N-EDCA算法中，節點成功傳送任務后，其CW值乘以乘數因子γ，新的節點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，實現了高優先級任務的優先接入。

當節點業務的數據幀傳送失敗時，其不再使用以上因子來確定新的CW[AC]值，而是采用802.11e協議中所規定的持續因子(PF)來調整CW值。使得高優先級的業務具有較小的PF值，減少下次傳輸過程中產生沖突的概率。實現充分利用信道資源和減少網絡延遲的目的。

CW[AC]min=min(CW[AC]min，CW[AC]×PF)

4.3競爭窗口CW初始值的動態調整[1]

以上過程實現了對CW的變化過程實現了動態調整，在CW的初始值設定上依舊是靜態的，每次成功傳輸后節點的CW值又會變成CWmin，若不根據信道質量變化，以及節點數目增加來調整CWmin，則可能會導致更多的碰撞產生。所以，還需進行競爭窗口初始值的動態調整。

確定一個統計時間t，在這個時間段內，統計它的網絡負載情況，與規定的門限值做比較，當網絡負載大于這個門限值時，說明此時網絡負載過大，此時需要增大CWmin和CWmax以適應網絡狀況，設置增大的百分比值為a，則經過放大后的CW值分別為CWmin，CWmax，相對應的如果網絡負載小于門限值，則需要縮減CW以使信道資源不被浪費，此時縮減的百分比為b，縮減后的值分別為CWmin，CWmax。

時間段t的選擇可以通過周期性廣播Bsacon幀來通知節點CWmin和CWmax的值。為避免給系統帶來額外開銷用來計算，將Bsacon幀的發送周期定義為1。此時，計算在時間段t內的碰撞次數與成功次數的比值來反映負載狀況。當碰撞次數大于等于成功次數，則說明負載大于門限值，此時需要增大CWmin和CWmax的值以減輕信道壓力，降低碰撞次數，相反的則說明負載小于門限值，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[5]，為了驗證N-EDCA改進算法的有效性，設立一個理想的網絡環境，外界影響因素如錯碼亂碼、信號丟失等均不考慮。仿真時物理層采用802.11b。設定總共20個站點，開始試驗時只有4個站點接入，每個站點均可發送語音、圖像、背景、盡力而為業務，每10s可發送的站點數目增加一倍，直至站點數目增加到20個，并保持在20個發送數據站點數量60s.對N-EDCA改進算法和EDCA算法在各項業務的吞吐量進行仿真，仿真結果如圖1所示。

圖1　EDCA與N-EDCA圖像業務吞吐量比較

從圖1可知，隨著節點數目的不斷增加，當節點達到一定數量時，碰撞增加，N-EDCA算法相比較EDCA能更好地適應，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　結語

文章提出的算法根據網絡的負載狀況來調整EDCA參數以適應網絡狀況，引入了沖突概率和乘數因子，對CWmin和CWmax的值進行動態調整，使其根據網絡節點變化情況和鏈路變化修改，并進行了CW初始值的動態調整。仿真結果表明此改進算法比EDCA更好的適應了復雜網絡情況下業務的傳送，吞吐量有了明顯提升。

參 考 文 獻

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[6] 吳杰康，段云飛.IEEE802.11e EDCA機制的一種參數調節策略[J].計算機應用，2008(8)：1962-1975.

[7] 夏漢鑄，劉輝元.無線Mesh網絡中基于隊列長度的自適應EDCA算法研究[J].計算機應用與軟件，2014(8):129-135.

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[10] 張俊健，吳悅.IEEE 802.11p車載自組網絡協議的EDCA自適應退避算法研究[J].計算機工程與科學，2014(10)：1932-1936.

*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：無線網絡攻擊。萬福,男,碩士,研究方向:預警探測。

中圖分類號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