无线局域网EDCA机制的一种自适应参数调整改进算法*

朱智平　万　福

(海军指挥学院信息战研究系　南京　211800)



无线局域网EDCA机制的一种自适应参数调整改进算法*

朱智平万福

(海军指挥学院信息战研究系南京211800)

摘要为了进一步提高无线局域网EDCA机制信道利用率和吞吐率，提出一种EDCA参数的自适应调整改进算法并进行了仿真，该算法可使节点根据网络吞吐量变化情况，计算出冲突概率自动调节竞争窗口值，从而提高EDCA的性能。

关键词EDCA自适应参数调整; 冲突概率; 竞争窗口

Class NumberTP301.6

1　引言

传统的以太网采用CSMA/CD机制，而在无线局域网中，信号强度衰减，冲突检测变得困难，原因在于：节点隐藏，如两个相反方向的工作站要利用一个中心接入点来进行连接，这两个站都能侦测到中心接入点，而相反间则可能由于障碍或距离原因无法感知到对方的存在。为了解决这一问题，最初的IEEE 802.11标准定义了两种访问机制：分布式协调功能(DCF)和集中控制访问机制(PCF)。DCF的核心是CSMA/CA机制，其主要包括三个方面的内容：载波侦听、帧间间隔和随机退避。其中，DCF没有进行业务区分，所有业务在同一个优先级下竞争信道，它仅仅能够做到“尽力而为”。而不断发展的视频、语音等实时业务需求对WLAN提出了更高的要求。

2　IEEE 802.11e EDCA机制[10]

为了增加WLAN对服务质量(Quality of Service，QoS)的支持，IEEE 802.11e对媒体介入控制(MAC)层协议进行了改进，使其可支持QoS要求的应用，对DCF在QoS的支持方面做了加强，通过设置优先级，既可保证大带宽的通信质量，同时又能做到向下兼容IEEE 802.11设备。其加强后的标准成为分布式通道存取(Enhanced Distributed Channel Access，EDCA)。

IEEE 802.11e把业务分为四个队列(AC)，八个传输优先级(UP)，八个UP映射到这四个AC上面去，较高优先级的业务优先接入信道。

EDCA的主要特点如下。

1) 为避免冲突，MAC层规定所有站在完成发送后必须等待一个很短时间(继续侦听)才能发送下一帧，这个时间称为帧间间隔(InterFrame Space,IFS)。在EDCA中，使用仲裁帧间间隔(Arbitration IFS,AIFS)代替DIFS(DCF IFS)，DIFS是固定不变的，而AIFS则可以根据业务类型的不同而变化。优先级较高的业务其AIFS值越小，业务能比一般的数据通信更快地接入网络，从而实现实时通信。AIFS的计算方式如下：

AIFS=SIFS+AIFSN×tslot

其中，SIFS为固定值，而AIFSN是由业务的优先级决定的一个整数，业务的优先级越高，其值越小，节点能更快的接入信道。slot为一个时隙值。

2) 竞争窗口(CW)的改变。与DCF不同的是，EDCA中最小竞争窗口CWmin与最大竞争窗口CWmax并不是固定值，而是与AC有关的参数，所以CW值也不尽相同。四个AC分别对应为：AC-BK(背景)、AC-BE(尽力而为)、AC-VI(视频)、AC-VO(音频)，其优先级依次越来越高，CWmin值与CWmax值也就越小，意味着站点以更大的概率接入信道。具体参数[8]设置见表1。

表1　IEEE 802.11各队列参数设置

3) 传输机会[3](Transmission Opportunity，TXOP)，站点通过竞争得到传输机会，然后EDCA模式应用XTOP Limit来决定传输帧数量的最大值，同时也由此决定每个AC占用通信信道的最大持续时间。由于在一次传输完成后，AC依然保持接通的权利，拥有相同AC的数据业务可以直接继续占用通道发送数据，而这个传送数据的时间由TXOP Limit来限制，每个不同的AC其TXOP Limit都不同。这一机制减少了一系列数据传送所要花费的额外开销，有效提升了系统的吞吐量性能。

3　IEEE 802.11e EDCA机制存在的缺陷及原因

3.1EDCA机制存在的缺陷

然而，由于EDCA中的参数AIFS、TXOP、CWmin、CWmax是静态设置的，在面对负载较多，节点数目较多且链路动态多变的网络环境下，由于无线网络中较大的冲突概率，因此显得并不实用，其更适用于负载不多，节点数目不多，冲突较少的网络环境。在音视频服务越来越普遍的今天，EDCA显然已经限制了发展，且优先级较低的业务也受到了很大限制。因此，动态地调整EDCA参数以使其适应无线局域网的QoS需求正成为研究提高网络性能的一个热点，参数配置是有效利用信道资源的关键，合理的参数调节方案更加有利于系统性能的有效发挥。

3.2EDCA机制缺陷的原因

分析一下当网络情况复杂，节点数目较多的时候，EDCA性能下降的原因：由于帧头(具体帧结构见表2)开销和帧间间隔占用了一部分信道的传输时间，且网络情况变得复杂的时候，节点之间的冲突增加，导致信道的吞吐率下降。此外，EDCA是以牺牲低优先级业务的基础上来保证高优先级业务的优先传输的，在这种情况下，无论是高优先级业务还是低优先级业务都无法得到保障。因为EDCA中优先保障的音视频业务其帧长都较短，而它们的传输开销又较大，对于BK、BE业务而言，其帧间间隔和竞争窗口值都较大，也就意味着其空闲时隙增大，从而导致了整个网络信道的吞吐率降低。

表2帧结构

4　自适应参数调整改进算法

在EDCA机制中，当有多个节点竞争通信信道时，每次传输成功后，节点将CW重置为CWmin，不能根据负载情况动态设置，这样的退避机制在高负载情况下会导致碰撞增加，降低网络性能。文章提出N-EDCA算法将节点的冲突概率CP作为调整参数的依据，使节点中的业务能够自适应地动态更新参数。

4.1冲突概率的计算

按照文献[2]，冲突概率CP用单位时间内产生冲突了的数据包数量与所有已发送的数据包总量的比值来表示。使用冲突概率因子CPt和冲突平滑因子a来减少因瞬时冲突计算出来的CP的误差：

CPt[T]=a×CPt[T-1]+(1-a)×CP

使用冲突概率因子CPt来与节点设定的阈值L比较，若CPt大于L，则说明网络负载过重，需增大CW值以缓解冲突。反之则表明网络比较空闲，可减小CW值以更好的利用信道资源。

每当节点发生冲突的时候，CW值不是简单的加倍增长，而是根据冲突概率CP算出一个乘数因子γ，再使用上次的CW值乘以该因子，γ的计算公式为

γ=β[AC]×CP

其中，β[AC]可以实现不同优先等级业务的区分，优先级越高，其值越小，还可以根据管理者的需求进行修改。

4.2竞争窗口CW值的自适应调整

在N-EDCA算法中，节点成功传送任务后，其CW值乘以乘数因子γ，新的节点CW[AC]=max(CW[AC]min，CW×γ)，这就保证了新的CW[AC]值始终大于或者等于CW[AC]min，实现了高优先级任务的优先接入。

当节点业务的数据帧传送失败时，其不再使用以上因子来确定新的CW[AC]值，而是采用802.11e协议中所规定的持续因子(PF)来调整CW值。使得高优先级的业务具有较小的PF值，减少下次传输过程中产生冲突的概率。实现充分利用信道资源和减少网络延迟的目的。

CW[AC]min=min(CW[AC]min，CW[AC]×PF)

4.3竞争窗口CW初始值的动态调整[1]

以上过程实现了对CW的变化过程实现了动态调整，在CW的初始值设定上依旧是静态的，每次成功传输后节点的CW值又会变成CWmin，若不根据信道质量变化，以及节点数目增加来调整CWmin，则可能会导致更多的碰撞产生。所以，还需进行竞争窗口初始值的动态调整。

确定一个统计时间t，在这个时间段内，统计它的网络负载情况，与规定的门限值做比较，当网络负载大于这个门限值时，说明此时网络负载过大，此时需要增大CWmin和CWmax以适应网络状况，设置增大的百分比值为a，则经过放大后的CW值分别为CWmin，CWmax，相对应的如果网络负载小于门限值，则需要缩减CW以使信道资源不被浪费，此时缩减的百分比为b，缩减后的值分别为CWmin，CWmax。

时间段t的选择可以通过周期性广播Bsacon帧来通知节点CWmin和CWmax的值。为避免给系统带来额外开销用来计算，将Bsacon帧的发送周期定义为1。此时，计算在时间段t内的碰撞次数与成功次数的比值来反映负载状况。当碰撞次数大于等于成功次数，则说明负载大于门限值，此时需要增大CWmin和CWmax的值以减轻信道压力，降低碰撞次数，相反的则说明负载小于门限值，需要缩减CWmin和CWmax的值，提高信道效率，增加利用率。

4.4仿真模型

参照文献[5]，为了验证N-EDCA改进算法的有效性，设立一个理想的网络环境，外界影响因素如错码乱码、信号丢失等均不考虑。仿真时物理层采用802.11b。设定总共20个站点，开始试验时只有4个站点接入，每个站点均可发送语音、图像、背景、尽力而为业务，每10s可发送的站点数目增加一倍，直至站点数目增加到20个，并保持在20个发送数据站点数量60s.对N-EDCA改进算法和EDCA算法在各项业务的吞吐量进行仿真，仿真结果如图1所示。

图1　EDCA与N-EDCA图像业务吞吐量比较

从图1可知，随着节点数目的不断增加，当节点达到一定数量时，碰撞增加，N-EDCA算法相比较EDCA能更好地适应，吞吐量的下降更为缓慢，相比较，N-EDCA算法在吞吐量上有明显的提升。

5　结语

文章提出的算法根据网络的负载状况来调整EDCA参数以适应网络状况，引入了冲突概率和乘数因子，对CWmin和CWmax的值进行动态调整，使其根据网络节点变化情况和链路变化修改，并进行了CW初始值的动态调整。仿真结果表明此改进算法比EDCA更好的适应了复杂网络情况下业务的传送，吞吐量有了明显提升。

参 考 文 献

[1] 张志.基于IEEE802.11e EDCA模型吞吐量的改进研究[J].湖北工业大学学报，2010(2)：56-60.

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[3] 赵青芝.无线局域网802.11e MAC层EDCA机制研究[D].北京：北京交通大学，2009.

[4] 张俊健，吴悦.IEEE 802.11p车载自组网络协议的EDCA自适应退避算法研究[J].计算机工程与科学，2014(10)：1933-1935.

[5] 蒋阳，李美桃，付存文.基于802.11e EDCA的自适应参数调节机制研究[J].电子技术应用，2010(3):107-109.

[6] 吴杰康，段云飞.IEEE802.11e EDCA机制的一种参数调节策略[J].计算机应用，2008(8)：1962-1975.

[7] 夏汉铸，刘辉元.无线Mesh网络中基于队列长度的自适应EDCA算法研究[J].计算机应用与软件，2014(8):129-135.

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[10] 张俊健，吴悦.IEEE 802.11p车载自组网络协议的EDCA自适应退避算法研究[J].计算机工程与科学，2014(10)：1932-1936.

*收稿日期：2015年10月7日,修回日期：2015年11月27日

作者简介：朱智平，男，硕士研究生，研究方向：无线网络攻击。万福,男,硕士,研究方向:预警探测。

中图分类号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