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(多图) 无线Mesh网络中基于公平的EDCA算法

夏汉铸?? 中山火炬职业技术学院信息工程系?? 刘辉元?? 重庆市工业学校?? 2014年11月12日 ?? 收藏1
随着网络技术的发展 和应用,用户对网络的移动性和可靠性要求越来越高,基于IEEE 802.11系列标准的无线Mesh网络近年来得到了快速、广泛的应用。在无线Mesh网络中,任何无线设备节点都可以同时作为接入点(AP)和路由器,网络中的每个节点都可以发送和接收信号,每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。但由于无线网络本身的特性和多种物理层传输技术的应用,合适的媒体接入控制MAC 协议对无线Mesh网络至关重要。

在无线Mesh 网络中应用的MAC 协议包括:CSMA/CA、DCF、PCF 等,为了在MAC 子层实现对不同业务流的QoS支持,IEEE 802.11e工作组在IEEE 802.11中DCF机制的基础上提出了增强分布式信道接入机制(Enhanced Distributed Channel Access,EDCA),使得无线Mesh网络可以更好地提供音频和视频业务的服务。

EDCA 将不同的业务流分为4 个不同的优先等级AC(Access Categories),每一个AC 对应一个队列,通过设置仲裁帧间间隔(Arbitration Interframe Space,AIFS)、最小竞争窗口值CWmin、最大竞争窗口CWmax和传输机会TXOP(Transmission Opportunity)4个 参数值实现不同业务流间的业务区分。文献研究表明,由于无线网络状况的移动性和复杂性,EDCA 算法中4个参数的静态设置并不能使无线网络的性能实现最优,特别在高负载或突发业务量较大的状况下,由于无线网络中有较高的冲突率,EDCA 的网络性能急剧下降,无法满足网络用户的要求。也有相关研究通过CW 的自适应调整机制及相关退避算法的改进,如Lamia Romdhani 提出的AEDCF 机制(Adaptive EDCF,AEDCF);Younggoo Kwon提出的快速碰撞解决机制(Fast Collision Resolutio,FCR)等,使得EDCA算法更适合无线网络环境。但这些研究都没有考虑EDCA 算法本身及参数AIFS、CWmin、CWmax和TXOP调整后对无线Mesh网络公平性(节点间和不同业务流间)带来的影响。

本文提出了一种基于公平的EDCA 算法(Fairness-based EDCA,FEDCA)。FEDCA算法的基本思想是通过加权轮询的方式确定传输的数据接入类别和本次信道侦听的时间,通过公平因子的计算确定TXOP 参数,以达到保证网络公平性的条件下提高网络性能和QoS保证的目的。并通过仿真结果验证该算法的可行性。

1 EDCA算法

EDCA 是IEEE 802.11e工作组在IEEE 802.11 协议中DCF机制基础上进行QoS支持提出的,其基本 的接入信道方式与DCF保持一致,各移动节点以CSMA/CA 方式通过竞争获得信道接入的机会。同时EDCA 提供了不同类型业务数据传输的多种信道接入类别AC,可以实现不同业务的服务区分。

1.1 EDCA算法简介

为保证不同业务的不同QoS要求,EDCA算法定义了上层的8类业务类别(Traffic Category,TC)和本层的4类基于IEEE 802.1D的接入类别(Access Category,AC),8类TC分别映射至4类AC的队列中:AC_VO,AC_VI,AC_BE和AC_BK,分别代表语音(Voice)类,视频(Video)类,尽力而为(Best Effort)类和背景(Background)类的业务。为实现4个AC队列不同优先级的区别,定义了4个参数:仲裁帧间间隔AIFS、最小竞争窗口值CWmin、最大竞争窗口CWmax和传输机会TXOP。不同的AC通过不同的参数设置,控制其接入信道的过程,从而实现了不同业务类型的区分。

某一移动节点通过两个阶段实现一个AC队列内的数据发送。首先在一个节点内部争夺传输机会TXOP,获得传输机会的队列才有可能获得信道接入的机会。其次,获得信道接入机会的分组再在不同的节点间通过CSMA/CA 方式获得信道接入机会才可以进行数据传输。EDCA算法完成数据传输第一阶段的任务:不同队列通过竞争获得传输机会。

IEEE 802.11e EDCA的基本访问机制如图1所示。

图1 IEEE 802.11e EDCA的基本访问机制
图1 IEEE 802.11e EDCA的基本访问机制

当因竞争信道发生冲突时,就进入退避过程。在此过程中,将退避计数器Backoff Timer置为[0,CW[AC]]范围内的任一整数值:Backoff_Timer(BT)=uniform[0,CW]×aSlotTime。CW[AC]的初始值设为CWmin[AC]。当发生碰撞时,CW[AC]的值就增加为(CW[AC]+1)×2-1,当CW[AC]增加到CWmax[AC]时,就维持CWmax[AC]的值不变,不再增加。当数据帧成功发送之后,将CW[AC]的值重置为CWmin[AC],继续侦听信道。退避计时器每检测到一个空闲时隙,其值(BT)减1,最先减到零的数据帧占用信道,若节点内多个AC的退避计时器同时减到零,则较高优先级队列的数据帧将占用信道,其他数据帧又进入新一轮的退避过程。


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公平性? 增强分布式信道接入? 分布式协同功能?

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