基于EDCA的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量研究綜述

昝懿軒 李曉娟,2* 關(guān) 永,3 宋家東 王 瑞,5

1(首都師范大學(xué)信息工程學(xué)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(shù)高精尖創(chuàng)新中心 北京 100048) 4(機(jī)械工業(yè)信息中心 北京 100823) 5(輕型工業(yè)機(jī)器人與安全驗(yàn)證北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100048)

0 引 言

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)成為全球通信必不可少的組成部分,其廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展使得用戶更加關(guān)注網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計(jì)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(zhì)訪問(wèn)控制層(MAC),采用帶有沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)算法(CSMA/CA)和二進(jìn)制退避訪問(wèn)控制，隨后分別頒布802.11b和802.11a兩個(gè)版本[1]。但傳統(tǒng)802.11協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)只提供盡力而為服務(wù),且無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)相比信道速率較低,在數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中具有較高出錯(cuò)率等性質(zhì),使得無(wú)線局域網(wǎng)難以保證音視頻等多媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)。

為保障不同業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)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(jī)制(Hybrid Coordination Function,HCF),并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于競(jìng)爭(zhēng)的增強(qiáng)分布式信道訪問(wèn)機(jī)制(Enhanced Distributed Channel Access,EDCA)和基于無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的混合控制信道訪問(wèn)機(jī)制(HCF Controlled Channel Access,HCCA)[2]。HCCA較EDCA相比更為復(fù)雜,屬于集中式控制方法,具有可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)。EDCA屬于分布式控制方法,在網(wǎng)絡(luò)健壯性等方面體現(xiàn)良好,增強(qiáng)了MAC級(jí)QoS保障,對(duì)不同業(yè)務(wù)類型提供了優(yōu)先級(jí)區(qū)分的信道接入傳輸服務(wù)[3],因此分布式EDCA機(jī)制成功應(yīng)用于多領(lǐng)域并發(fā)揮了重要作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者大都基于EDCA進(jìn)行研究,提出了多種改進(jìn)方案和服務(wù)質(zhì)量保證策略。

本文旨在分析基于EDCA的QoS實(shí)現(xiàn)工作機(jī)制及其相關(guān)算法模型,從功能和特性兩個(gè)維度綜述EDCA可行的優(yōu)化設(shè)計(jì),總結(jié)當(dāng)前研究存在的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)性能的不同角度文獻(xiàn)進(jìn)行歸類分析,準(zhǔn)確把握該領(lǐng)域最新研究進(jìn)展,對(duì)未來(lái)發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)與展望。

1 信道訪問(wèn)控制機(jī)制

1.1 分布式協(xié)調(diào)控制機(jī)制

IEEE 802.11協(xié)議定義了兩種媒體訪問(wèn)控制機(jī)制，其中一種為基于競(jìng)爭(zhēng)的分布式協(xié)調(diào)控制機(jī)制(Distributed Coordination Function,DCF)[4]。節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)前首先監(jiān)聽信道,若空閑且等待一個(gè)分布式幀間間隔(Distributed Inter-frame Spacing,DIFS)后仍空閑,則節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀,否則等待忙狀態(tài)結(jié)束后啟動(dòng)退避機(jī)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(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生碰撞的概率，采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法[6],當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入退避過(guò)程時(shí)啟動(dòng)退避計(jì)數(shù)器,并在區(qū)間[0,CW]上隨機(jī)選取一個(gè)整數(shù)作為其初始值,CW是動(dòng)態(tài)變化的競(jìng)爭(zhēng)窗口值,范圍定義在最小競(jìng)爭(zhēng)窗口(CWmin)和最大競(jìng)爭(zhēng)窗口(CWmax)之間。退避計(jì)數(shù)器在每經(jīng)過(guò)一個(gè)空閑時(shí)隙后減1,當(dāng)減為0時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀[7]。若有兩個(gè)或兩個(gè)以上計(jì)數(shù)器同時(shí)減為0且在發(fā)送數(shù)據(jù)后產(chǎn)生碰撞,此時(shí)節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口值將更新如式(1)所示,隨后退避計(jì)數(shù)器的值重新初始化。

CWnew=2×(CWold+1)-1

(1)

1.2 增強(qiáng)分布式信道訪問(wèn)機(jī)制

EDCA對(duì)CSMA/CA算法進(jìn)行拓展,提供了區(qū)分業(yè)務(wù)方式的參數(shù)化QoS保證[8],在保留傳統(tǒng)分布式信道競(jìng)爭(zhēng)的情況下,定義了8種業(yè)務(wù)類別(Traffic Category,TC)和4種基于IEEE 802.1D的訪問(wèn)類別(Access Category,AC)[9],其優(yōu)先級(jí)順序分別是音頻(AC_VO)、視頻(AC_VI)、盡力而為服務(wù)流(AC_BE)和背景流(AC_BK),且分別對(duì)應(yīng)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(wú)線媒體,為各業(yè)務(wù)類型提供不同的業(yè)務(wù)等級(jí)。EDCA業(yè)務(wù)流分類如表1所示[11]。

表1 EDCA業(yè)務(wù)流分類

EDCA機(jī)制為訪問(wèn)類別設(shè)置了四種參數(shù)：CWmin[AC]、CWmax[AC]、AIFS、發(fā)送機(jī)會(huì)限制(TXOP limit)。分別決定了最小最大競(jìng)爭(zhēng)窗口值、延遲接入時(shí)間和業(yè)務(wù)可連續(xù)占用信道的時(shí)間限制,利用這四種參數(shù)達(dá)到了支持基于優(yōu)先級(jí)的QoS目的[12],其基本訪問(wèn)機(jī)制如圖1所示。

圖1 IEEE 802.11e EDCA基本訪問(wèn)機(jī)制

(1) 競(jìng)爭(zhēng)窗口(CWmin、CWmax)。競(jìng)爭(zhēng)窗口值決定數(shù)據(jù)幀的退避時(shí)間,當(dāng)節(jié)點(diǎn)等待了一段AIFS后,退避計(jì)數(shù)器將隨機(jī)設(shè)置為[1,CW+1]區(qū)間的任意一個(gè)整數(shù)[13]。節(jié)點(diǎn)首次發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)競(jìng)爭(zhēng)窗口值為CWmin,當(dāng)發(fā)送失敗導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳時(shí),窗口值變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍,直至等于CWmax則不再增大,且重傳達(dá)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(diǎn)必須在持續(xù)檢測(cè)信道空閑一段指定的時(shí)間后才能發(fā)送數(shù)據(jù)幀,這段時(shí)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(wù)類型定義了不同AIFS,且高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的AIFS小于低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù),其計(jì)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(wù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀,具有較小AIFS的高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)提前接入信道,若未收到確認(rèn)幀或發(fā)生碰撞則認(rèn)為發(fā)送失敗,信道忙時(shí)退避計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù),直至再次空閑AIFS后重新開始,該過(guò)程如此重復(fù)直至發(fā)送成功或達(dá)到重傳限制[15]。系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)類型分別設(shè)置接入時(shí)延和退避窗口值,使隊(duì)列從開始退避等待發(fā)送數(shù)據(jù)到成功傳輸?shù)臍v時(shí)和產(chǎn)生碰撞的概率不同,實(shí)現(xiàn)了良好的區(qū)分服務(wù)。

(3) 發(fā)送機(jī)會(huì)(TXOP)。EDCA機(jī)制為避免過(guò)多信道競(jìng)爭(zhēng),提出了一種無(wú)競(jìng)爭(zhēng)突發(fā)模式,若站點(diǎn)獲得介質(zhì)訪問(wèn)權(quán)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(diǎn)可獨(dú)自占用信道連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀,無(wú)須再次競(jìng)爭(zhēng)信道[16],且每次發(fā)送只需等待SIFS而不是更長(zhǎng)的AIFS。數(shù)據(jù)幀在TXOP間隔內(nèi)發(fā)送完畢或間隔結(jié)束,信道再次進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)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(jié)束連發(fā)數(shù)據(jù)幀具有三個(gè)條件:(1) 在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的過(guò)程中產(chǎn)生碰撞或出現(xiàn)其他錯(cuò)誤;(2) 獲得發(fā)送機(jī)會(huì)的AC緩存隊(duì)列中數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢;(3) 剩余的TXOP limit不夠傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)幀。

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

圖2 TXOP傳輸過(guò)程

1.3 DCF與EDCA對(duì)比分析

DCF機(jī)制將時(shí)間域的劃分與幀格式緊密聯(lián)系在一起,確保某個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),其優(yōu)點(diǎn)是能夠保證各站點(diǎn)之間進(jìn)行公平競(jìng)爭(zhēng)。但隨著具有QoS功能站點(diǎn)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(duì)實(shí)時(shí)信息等業(yè)務(wù)無(wú)法提供正常的QoS保障。EDCA機(jī)制在DCF的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了服務(wù)質(zhì)量支持?jǐn)U展,提出了訪問(wèn)類別和四種參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),滿足了各類業(yè)務(wù)的不同服務(wù)需求。兩種機(jī)制的具體對(duì)比分析如表2所示。

表2 DCF與EDCA對(duì)比分析

2 EDCA機(jī)制分析

接入控制機(jī)制能夠保證新業(yè)務(wù)不會(huì)降低已接入業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量,且能夠最大程度利用網(wǎng)絡(luò)資源。EDCA提供了區(qū)分業(yè)務(wù)的QoS保證,但對(duì)于接入信道方面只考慮部分因素,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮幱陬l繁變化時(shí),該機(jī)制設(shè)置的靜態(tài)參數(shù)無(wú)法根據(jù)實(shí)際狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整使系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。因此,參數(shù)自適應(yīng)變化成為提高網(wǎng)絡(luò)性能且保證服務(wù)質(zhì)量得到最大體現(xiàn)的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。

2.1 TXOP算法研究

站點(diǎn)發(fā)送MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元(MAC Service Data Unit,MSDU)檢測(cè)信道狀態(tài),DCF機(jī)制只能發(fā)送一個(gè)MSDU,成功傳輸后便失去信道使用權(quán),若繼續(xù)發(fā)送則必須重新競(jìng)爭(zhēng)[17]。TXOP算法的特點(diǎn)是站點(diǎn)獲取信道使用權(quán)后可無(wú)競(jìng)爭(zhēng)地傳輸同一業(yè)務(wù)中的多個(gè)數(shù)據(jù)幀,站點(diǎn)中其他業(yè)務(wù)存在待發(fā)數(shù)據(jù)也無(wú)法占用所獲得的發(fā)送機(jī)會(huì),只能等待TXOP limit結(jié)束后站點(diǎn)退出信道進(jìn)行下一輪競(jìng)爭(zhēng)。

與DCF中由物理層決定的固定參數(shù)不同,EDCA通過(guò)管理實(shí)體和支持QoS的接入點(diǎn)分配參數(shù)。高優(yōu)先級(jí)的訪問(wèn)類別具有較小AIFS和CW[AC],因而隨機(jī)選擇的時(shí)隙值較小，獲得連發(fā)數(shù)據(jù)幀的機(jī)會(huì)變大[18],但低優(yōu)先級(jí)AC_BE和AC_BK的TXOP值為0,只能傳輸請(qǐng)求發(fā)送/允許發(fā)送幀和普通數(shù)據(jù)幀,使其更晚進(jìn)入退避狀態(tài),造成信道訪問(wèn)概率減小。EDCA參數(shù)具有各自優(yōu)勢(shì),競(jìng)爭(zhēng)窗口值的確定給各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)提供不同的接入時(shí)延,AIFS參數(shù)為業(yè)務(wù)流提供良好的區(qū)分服務(wù),但它們并不能降低數(shù)據(jù)在高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中頻繁產(chǎn)生碰撞的概率。而TXOP算法的連發(fā)機(jī)制減少了各站點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道的次數(shù)并利用一次競(jìng)爭(zhēng)連續(xù)發(fā)送多幀,一定程度上改善了網(wǎng)絡(luò)整體性能。

但隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加重,固定的TXOP limit難以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化,當(dāng)緩存隊(duì)列中數(shù)據(jù)較多無(wú)法全部發(fā)送時(shí)須等待下一次發(fā)送機(jī)會(huì),極易造成數(shù)據(jù)分組丟失等情況,且無(wú)線網(wǎng)絡(luò)較有線網(wǎng)絡(luò)相比更易發(fā)生難以預(yù)知的錯(cuò)誤,若無(wú)法提供一種合理有效地接入控制機(jī)制,不僅難以保證新接入業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量,還會(huì)嚴(yán)重影響已有的網(wǎng)絡(luò)性能。因此改進(jìn)TXOP算法是EDCA機(jī)制的一個(gè)重要研究方向。

2.2 基于競(jìng)爭(zhēng)窗口的動(dòng)態(tài)退避問(wèn)題

接入機(jī)制表現(xiàn)為根據(jù)不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求定義EDCA參數(shù),使業(yè)務(wù)在競(jìng)爭(zhēng)信道使用權(quán)時(shí)具有各自優(yōu)勢(shì),其經(jīng)典參數(shù)設(shè)置如表3所示[19]。但對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能而言,這些優(yōu)勢(shì)往往是以損害低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)為代價(jià),而動(dòng)態(tài)改變競(jìng)爭(zhēng)窗口可最大限度地避免此類問(wèn)題產(chǎn)生,現(xiàn)有的QoS控制方法主要是改進(jìn)退避算法[20]。

表3 EDCA經(jīng)典參數(shù)設(shè)置

合理地定義競(jìng)爭(zhēng)窗口值有利于提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量,若CWmin取值較小,當(dāng)訪問(wèn)類別數(shù)量增多,信道競(jìng)爭(zhēng)就越激烈,碰撞概率也逐漸變大;若CWmin取值較大,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)會(huì)產(chǎn)生不必要的延時(shí),造成信道資源浪費(fèi)和利用率下降。EDCA機(jī)制規(guī)定各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)窗口值只能以CWmin開始并以二進(jìn)制退避的方式增大,這意味著一個(gè)站點(diǎn)要經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次碰撞才能獲得發(fā)送機(jī)會(huì),最終無(wú)法對(duì)實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)提供QoS保障。為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量,研究人員開始提出動(dòng)態(tài)調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口的改進(jìn)算法。

2.3 虛擬碰撞及其管理機(jī)制

擁有4個(gè)退避實(shí)例的節(jié)點(diǎn)根據(jù)802.11e定義的8個(gè)優(yōu)先級(jí)分別對(duì)應(yīng)4種接入類別,若退避實(shí)例中有多個(gè)節(jié)點(diǎn)要求在同一時(shí)刻發(fā)送分組,則等級(jí)最高的退避實(shí)例獲得信道使用權(quán),其余分組按發(fā)生了一次沖突處理,這種機(jī)制稱為虛擬碰撞[21],屬于節(jié)點(diǎn)內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,目的是減少發(fā)生在節(jié)點(diǎn)間的真實(shí)碰撞。當(dāng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部同時(shí)發(fā)送多個(gè)隊(duì)列產(chǎn)生虛擬競(jìng)爭(zhēng),此時(shí)調(diào)度器選擇高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列發(fā)送,若與節(jié)點(diǎn)外部隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)相同才發(fā)生真正碰撞,因此,該機(jī)制極大地減小了真實(shí)碰撞的概率。

傳統(tǒng)STA(普通站點(diǎn))利用DCF機(jī)制接入介質(zhì),而QSTA(支持QoS站點(diǎn))利用EDCA機(jī)制接入介質(zhì)。對(duì)傳統(tǒng)STA而言,發(fā)送分組時(shí)會(huì)與其他STA產(chǎn)生物理層的外部競(jìng)爭(zhēng),且可能產(chǎn)生碰撞。對(duì)QSTA而言,分組發(fā)送過(guò)程分為兩個(gè)步驟:

(1) 同一STA內(nèi)的訪問(wèn)類別競(jìng)爭(zhēng)信道,屬于內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng),可能產(chǎn)生碰撞,且退避過(guò)程與DCF機(jī)制類似。

(2) 在第一步中獲得信道使用權(quán)的訪問(wèn)類別與網(wǎng)絡(luò)中其他QSTA競(jìng)爭(zhēng)信道,可能產(chǎn)生外部沖突。EDCA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道過(guò)程如圖3所示[22]。

圖3 EDCA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道

EDCA定義了兩種碰撞類型:一種是經(jīng)典碰撞(真實(shí)碰撞),發(fā)生在兩個(gè)(或多個(gè))節(jié)點(diǎn)中的兩種(或多種)訪問(wèn)類別同時(shí)嘗試訪問(wèn)媒體時(shí)。另一種是內(nèi)部沖突(虛擬碰撞),表現(xiàn)為某節(jié)點(diǎn)中不同隊(duì)列的退避過(guò)程在同一時(shí)隙內(nèi)結(jié)束,優(yōu)先級(jí)最高的隊(duì)列獲得訪問(wèn)介質(zhì)權(quán),而其他隊(duì)列競(jìng)爭(zhēng)窗口加倍,類似于真實(shí)碰撞[23]。因此，碰撞管理機(jī)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(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生,且在介質(zhì)上發(fā)生真實(shí)碰撞(Real collision,RC),如圖4(a)所示。

(2) VC·nRC:虛擬碰撞在某節(jié)點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生,但介質(zhì)上沒(méi)有發(fā)生真實(shí)碰撞,如圖4(b)所示。

(3) nVC·RC:虛擬碰撞沒(méi)有在某節(jié)點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生,但在介質(zhì)上發(fā)生真實(shí)碰撞,如圖4(c)所示。

(4) nVC·nRC:不發(fā)生碰撞,節(jié)點(diǎn)中的隊(duì)列成功接入介質(zhì)。

(a) VC·RC情況

(b) VC·nRC情況

(c) nVC·RC情況圖4 碰撞管理機(jī)制情況

碰撞管理機(jī)制可以有效地保護(hù)和提高介質(zhì)使用率,但該機(jī)制仍存在缺點(diǎn)。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有AC_VO和AC_VI兩種訪問(wèn)類別且發(fā)生虛擬碰撞時(shí),具有較高優(yōu)先級(jí)的AC_VO訪問(wèn)媒體,而AC_VI競(jìng)爭(zhēng)窗口加倍。同時(shí)這兩種訪問(wèn)類別具有相同的AIFS和較低的競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)

目前在分析EDCA性能的大量文獻(xiàn)中,以研究網(wǎng)絡(luò)飽和與非飽和情況為重點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加最終會(huì)處于飽和狀態(tài),不合理的參數(shù)設(shè)置和有限的網(wǎng)絡(luò)資源都會(huì)在一定程度上影響網(wǎng)絡(luò)整體效率。因此,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能的研究熱點(diǎn)是飽和情況下的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3.1 馬爾可夫理論模型

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在n個(gè)站點(diǎn),信道為非理想狀態(tài)且不存在隱藏終端,可用一個(gè)二維的隨機(jī)過(guò)程表示信道中業(yè)務(wù)的退避狀態(tài),s(i,t)表示業(yè)務(wù)i在t時(shí)刻的退避階數(shù),b(i,t)表示業(yè)務(wù)i在t時(shí)刻的退避計(jì)數(shù)器值,類似于文獻(xiàn)[24]的模型,隨機(jī)過(guò)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(zhuǎn)移如圖5所示。Pi為業(yè)務(wù)i在給定時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)幀的概率,Pic為業(yè)務(wù)i發(fā)送數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生碰撞的概率,Ps為某時(shí)刻節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)幀的概率,Pib為業(yè)務(wù)i退避時(shí)檢測(cè)信道忙的概率。

圖5 Markov狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

業(yè)務(wù)i退避時(shí)共有CWmin種狀態(tài),EDCA模型隨機(jī)選取一種進(jìn)入退避階段。Markov模型表示某種特定狀態(tài)為(i,j,k),若檢測(cè)到信道忙則保持該狀態(tài)不變。若檢測(cè)到信道空閑,則狀態(tài)轉(zhuǎn)移為(i,j,k-1),直到k減為0時(shí)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(dāng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移為(i,m,0)表示已達(dá)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(diǎn)發(fā)包過(guò)程用Markov鏈的非空一步轉(zhuǎn)移概率式(4)表示。式中：Wi,j為業(yè)務(wù)i在第j退避階數(shù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)窗口值。

(4)

式(4)中各等式含義如下:

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

2) 第二個(gè)等式表示信道忙則保持原狀態(tài)不變。

3) 第三個(gè)等式表示數(shù)據(jù)幀在發(fā)送過(guò)程中產(chǎn)生碰撞,業(yè)務(wù)i轉(zhuǎn)移到下一階退避狀態(tài),并在[0,Wi,j]之間隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)作為退避值。

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

5) 第五個(gè)等式表示業(yè)務(wù)i在進(jìn)行m+1次發(fā)送之后重新進(jìn)入退避過(guò)程。

式(4)中Wi,j與Wi,0存在如式(5)所示關(guān)系[25]。

(5)

3.2 飽和狀態(tài)下的模型分析

目前針對(duì)EDCA機(jī)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(guò)程。該模型不考慮優(yōu)先級(jí)順序和重傳次數(shù),而假設(shè)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(dú)立,并將時(shí)隙劃分為三類,分別是空閑時(shí)隙、成功傳送時(shí)隙和發(fā)生碰撞時(shí)隙[27]。

3.2.1基于吞吐量和時(shí)延的研究

基于Bianchi模型的研究過(guò)程和分析思路,許多文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了拓展。文獻(xiàn)[28]在Bianchi模型的基礎(chǔ)上利用離散時(shí)間Markov鏈進(jìn)行建模,分析出網(wǎng)絡(luò)時(shí)延表達(dá)式,提出了最小窗口自適應(yīng)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(xiàn)[24]分析了EDCA設(shè)置的不同優(yōu)先級(jí)競(jìng)爭(zhēng)窗口參數(shù)對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)信道是否提供了良好的區(qū)分服務(wù)，并提出一種改進(jìn)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(jí)方案,但缺點(diǎn)是該模型未考慮AIFS與TXOP機(jī)制。

針對(duì)802.11e協(xié)議分析,大多以文獻(xiàn)[24]對(duì)Markov鏈分析網(wǎng)絡(luò)性能的研究模型為主。文獻(xiàn)[29]采用平均碰撞概率算法進(jìn)行等效處理,提出了針對(duì)站點(diǎn)回退和傳輸?shù)亩S離散時(shí)間Markov過(guò)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?jǐn)U展到更加復(fù)雜的訪問(wèn)機(jī)制中。Banchs[30-31]提出了一種基于AIFS機(jī)制的k-slot思想,利用二維Markov鏈模型對(duì)EDCA網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和延遲進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果幾乎與模擬一致,所有情況下的誤差都遠(yuǎn)低于1%。文獻(xiàn)[32]提出了基于AIFS區(qū)分的信道吞吐率分析模型,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該模型在吞吐率方面的準(zhǔn)確性優(yōu)于文獻(xiàn)[24]的Markov鏈模型。同時(shí)還提出DPS即類似調(diào)整每類業(yè)務(wù)的發(fā)送概率,結(jié)果表明幾乎在各種場(chǎng)景下都能實(shí)現(xiàn)最大信道吞吐率。文獻(xiàn)[33]提出了一種飽和流量負(fù)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(gè)退避階段中競(jìng)爭(zhēng)窗口值的變化單獨(dú)考慮,消除了部分局限性,模型的理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,具有良好的精度。

傳統(tǒng)TXOP算法規(guī)定節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗后需讓出信道使用權(quán),但這樣不僅浪費(fèi)信道資源,且降低了連發(fā)機(jī)制性能。文獻(xiàn)[34]提出了改進(jìn)的TXOP連發(fā)算法,使高吞吐量的應(yīng)用程序在低吞吐量、延遲敏感的應(yīng)用程序中運(yùn)行時(shí)能保證更好的服務(wù)質(zhì)量,但該算法沒(méi)有根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù),具有TXOP的固有缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[35]提出了一種DA-TXOP算法,在網(wǎng)絡(luò)擁塞的狀況下增大TXOP值,在負(fù)載較輕時(shí)減小TXOP值,即根據(jù)重傳和碰撞次數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送機(jī)會(huì)值,仿真結(jié)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(xiàn)[36]提出了改進(jìn)算法ETXOP,當(dāng)站點(diǎn)獲得發(fā)送機(jī)會(huì)時(shí)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(dǎo)致重傳或其他業(yè)務(wù)中的數(shù)據(jù)幀,該算法較好地實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)QoS需求。文獻(xiàn)[37]利用博弈論方法確定TXOP值,即在該方法中,將節(jié)點(diǎn)看作“玩家”，“勝者”可發(fā)送數(shù)據(jù)幀直至TXOP達(dá)到最大。

利用Markov鏈模型對(duì)TXOP算法進(jìn)行改進(jìn)是保證可靠服務(wù)質(zhì)量的重要思路。文獻(xiàn)[38]使用二維Markov鏈模擬節(jié)點(diǎn)排隊(duì)系統(tǒng),推導(dǎo)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(duì)列的狀態(tài)靈活地調(diào)整TXOP limit,數(shù)據(jù)結(jié)果表明該算法降低了時(shí)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(xiàn)[39]提出了一種基于Markov鏈性能模型分析算法和動(dòng)態(tài)調(diào)整TXOP參數(shù)設(shè)置的接納控制算法D-TXOP,對(duì)網(wǎng)絡(luò)可承載的隊(duì)列施行接納控制,避免接入的業(yè)務(wù)量超過(guò)網(wǎng)絡(luò)可承載量,仿真結(jié)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(dá)到了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載能力的目的。

3.2.2基于區(qū)分服務(wù)的研究

DCF機(jī)制的研究中多數(shù)以發(fā)送成功的競(jìng)爭(zhēng)窗口值作為判斷依據(jù),其值越大表示負(fù)載越重。但在EDCA機(jī)制中,每種AC具有不同的競(jìng)爭(zhēng)窗口范圍和發(fā)送機(jī)會(huì)限制,且過(guò)大的TXOP會(huì)使低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)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(dòng)態(tài)調(diào)整TXOP并判斷網(wǎng)絡(luò)擁塞情況。

文獻(xiàn)[42]指出缺少對(duì)TXOP持續(xù)時(shí)間的有效配置會(huì)浪費(fèi)帶寬甚至?xí)?duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生消極影響,故提出了根據(jù)接入點(diǎn)隊(duì)列的平均分組數(shù)目動(dòng)態(tài)調(diào)整算法。該算法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加重時(shí)有效地控制了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的飽和峰值,提供了良好的區(qū)分服務(wù),但無(wú)法保障普通站點(diǎn)的性能和分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的QoS需求。文獻(xiàn)[43]提出了一種快速解決碰撞算法FCR,該算法將節(jié)點(diǎn)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(guò)修改競(jìng)爭(zhēng)窗口值的增長(zhǎng)算法,有效緩解了數(shù)據(jù)碰撞和空閑時(shí)隙浪費(fèi)的問(wèn)題,提供了保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的優(yōu)先級(jí)區(qū)分服務(wù)。文獻(xiàn)[44]提出了一種針對(duì)不同業(yè)務(wù)類型計(jì)算AIFS的算法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)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(wù)定義了標(biāo)準(zhǔn)值,使低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列在競(jìng)爭(zhēng)接入信道時(shí)不斷“讓步”,因此EDCA的優(yōu)先級(jí)分配并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義上的公平,針對(duì)該問(wèn)題,已有相關(guān)研究從不同角度對(duì)其進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[45]認(rèn)為對(duì)各站點(diǎn)采用相同TXOP參數(shù)不能有效地區(qū)分實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),故提出最大持續(xù)時(shí)間算法DTXOP,當(dāng)下流業(yè)務(wù)(AP向STA傳輸)小于上流業(yè)務(wù)時(shí),減少接入點(diǎn)占用信道的時(shí)間,提高了上下流之間接入信道時(shí)間的公平性。文獻(xiàn)[46]指出合適的TXOP分配算法可使信道實(shí)現(xiàn)有效共享并且滿足多媒體應(yīng)用的QoS需求,因此提出了一種改進(jìn)接入控制算法,當(dāng)下流需求小于上流需求時(shí)能夠有效地減少業(yè)務(wù)占用信道的時(shí)間,實(shí)現(xiàn)了訪問(wèn)類別之間的公平。文獻(xiàn)[47]提出了一種基于信道精確條件預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)TXOP分配算法,與標(biāo)準(zhǔn)TXOP方法相比更好地實(shí)現(xiàn)了帶寬分配并提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性。Kim等[48-49]認(rèn)為節(jié)點(diǎn)速率對(duì)TXOP也會(huì)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(diǎn)比數(shù)據(jù)速率較高的節(jié)點(diǎn)獲得更多傳輸機(jī)會(huì),確保兩種速率下的節(jié)點(diǎn)所占信道時(shí)間的平均值相同,為隊(duì)列獲得了更多發(fā)送分組的機(jī)會(huì)。

在虛擬碰撞機(jī)制中,兩個(gè)隊(duì)列在節(jié)點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生沖突使得低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的競(jìng)爭(zhēng)窗口值加倍,高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列接入信道,但如果其并未在介質(zhì)上發(fā)生真實(shí)碰撞,增大低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的競(jìng)爭(zhēng)窗口值是沒(méi)有意義的,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下2種問(wèn)題:

1) 優(yōu)先級(jí)倒置問(wèn)題。持續(xù)的虛擬碰撞會(huì)導(dǎo)致某個(gè)隊(duì)列的競(jìng)爭(zhēng)窗口值最終等于或大于未發(fā)生虛擬碰撞的低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。

2) 不公平問(wèn)題。EDCA為每種優(yōu)先級(jí)分配了一組特性,這些特性對(duì)于無(wú)線局域網(wǎng)中具有相同優(yōu)先級(jí)的所有隊(duì)列是一致的,即相同優(yōu)先級(jí)的所有訪問(wèn)類別具有平等訪問(wèn)媒體的機(jī)會(huì)。但由于訪問(wèn)類別在虛擬碰撞中產(chǎn)生不同的結(jié)果,導(dǎo)致相同優(yōu)先級(jí)的訪問(wèn)類別無(wú)法實(shí)現(xiàn)平等的訪問(wèn)機(jī)會(huì)。

文獻(xiàn)[19]和[50]提出了相似的改進(jìn)算法,當(dāng)發(fā)生圖4(b)所示情況時(shí),低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的競(jìng)爭(zhēng)窗口保持不變;當(dāng)發(fā)生圖4(a)所示情況時(shí),加倍虛擬碰撞中低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的競(jìng)爭(zhēng)窗口。通過(guò)對(duì)兩種機(jī)制建模并分析吞吐量和訪問(wèn)時(shí)延的變化情況,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在不降低介質(zhì)總利用率的前提下,改進(jìn)算法有效地減小了訪問(wèn)類別之間的不公平性。

當(dāng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功或到達(dá)最大重傳次數(shù)限制之后,訪問(wèn)類別的競(jìng)爭(zhēng)窗口值重置為CWmin,但一次成功的傳輸并不能判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),也不能斷定碰撞概率已經(jīng)減小。因此,文獻(xiàn)[51]提出了一種競(jìng)爭(zhēng)窗口重置算法,即窗口值在新一輪信道競(jìng)爭(zhēng)之前不會(huì)立即重置為CWmin,而是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)順序緩慢遞減到CWmin。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法性能優(yōu)于EDCA機(jī)制,在相同優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用程序之間實(shí)現(xiàn)了高度公平。文獻(xiàn)[52-53]對(duì)Markov鏈理論模型進(jìn)行分析,提出了解決不同優(yōu)先級(jí)以及上下行信道之間的公平性問(wèn)題和競(jìng)爭(zhēng)窗口調(diào)整算法,通過(guò)仿真驗(yàn)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(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的應(yīng)用效果體現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)QoS的可靠性,且數(shù)據(jù)流傳輸具有非飽和性質(zhì)。因此,文獻(xiàn)[54]提出了一種分析非飽和條件下EDCA機(jī)制的服務(wù)質(zhì)量模型,根據(jù)Banchs[30]得到的飽和系統(tǒng)結(jié)果分析了節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延和發(fā)送概率,仿真驗(yàn)證了該模型在各種真實(shí)源模型下的準(zhǔn)確性,包括音頻、視頻和數(shù)據(jù)流量的典型發(fā)送過(guò)程。文獻(xiàn)[55]針對(duì)不同應(yīng)用類型提出了一種將不飽和系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為等效飽和系統(tǒng)的流量分析模型,計(jì)算出發(fā)送器緩沖區(qū)中的排隊(duì)延遲,分析了多種應(yīng)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(xiàn)[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(jié)果計(jì)算業(yè)務(wù)利用率,導(dǎo)致仿真實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)果相差較大。

4 未來(lái)研究方向

雖然現(xiàn)有的自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整算法大多可以有效地提高EDCA網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量,但仍有問(wèn)題亟待解決,例如保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)接入信道的同時(shí)不損害低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)。筆者對(duì)該問(wèn)題和其他問(wèn)題進(jìn)行分析并作為未來(lái)研究方向。

1) 參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化:本文重點(diǎn)綜述了關(guān)于IEEE 802.11e協(xié)議中“標(biāo)準(zhǔn)值”的改進(jìn)策略,研究人員對(duì)參數(shù)集設(shè)置提出了動(dòng)態(tài)調(diào)整算法。但由于網(wǎng)絡(luò)具有多樣性和變化性等特點(diǎn),改進(jìn)策略只適用于某一種特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,在提高吞吐量的同時(shí)造成了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變大等問(wèn)題,因此難以有效地保障各類實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況逐漸復(fù)雜時(shí),為保證隊(duì)列成功接入信道且不影響當(dāng)前的業(yè)務(wù)性能,需提供一種更加有效的接入控制算法來(lái)維持已有的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。對(duì)于改進(jìn)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(lái)的應(yīng)用需求。

2) 虛擬碰撞機(jī)制解決策略:虛擬碰撞在提供業(yè)務(wù)區(qū)分服務(wù)的同時(shí)造成了優(yōu)先級(jí)變化以及倒置的問(wèn)題,這種情況在流量不對(duì)稱時(shí)更容易產(chǎn)生。針對(duì)下一步研究方向,在保證管理機(jī)制運(yùn)行良好的狀況下,實(shí)行一種更加簡(jiǎn)便有效的調(diào)節(jié)策略,從而提高各站點(diǎn)間相同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的公平性,確保實(shí)時(shí)多媒體數(shù)據(jù)的QoS支持。

3) 公平性問(wèn)題研究:影響網(wǎng)絡(luò)整體性能的另一個(gè)重要因素是公平性問(wèn)題。在實(shí)際條件下,吞吐量和公平性保持著一種相互制約的關(guān)系,若只考慮公平性而對(duì)所有業(yè)務(wù)類型“一視同仁”,則違背了EDCA機(jī)制提出的目的；若只考慮吞吐量因素,即高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)優(yōu)先原則,最終會(huì)耗盡低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)信道的可能性,嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)公平。在下一步研究中,要保證所有節(jié)點(diǎn)的隊(duì)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(biāo)保持在相對(duì)平衡的狀態(tài)。

5 結(jié) 語(yǔ)

EDCA機(jī)制較DCF機(jī)制明顯的改進(jìn)是定義了一組參數(shù)集,提供了基于競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)先級(jí)QoS保證,但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,協(xié)議中的參考值無(wú)法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀況并滿足業(yè)務(wù)需求,因此,針對(duì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整方式受到研究人員的廣泛關(guān)注。本文由介紹DCF機(jī)制過(guò)渡到EDCA機(jī)制,詳細(xì)闡述了其工作原理和各類參數(shù)設(shè)置,對(duì)比了兩種機(jī)制的特點(diǎn)進(jìn)而分析出EDCA機(jī)制存在的優(yōu)勢(shì)與不足。從多個(gè)方面的不同角度綜述了研究者對(duì)EDCA的改進(jìn)算法,總結(jié)出目前所存在的問(wèn)題并給出下一步研究方向。該機(jī)制仍有大量的研究空間,其設(shè)計(jì)思想為未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了巨大的研究動(dòng)力并將不斷優(yōu)化和促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。