周奇

（廣東開放大學(xué)信息與工程學(xué)院，廣州 510091）

0 引言

根據(jù)不同QoS服務(wù)需求，IEEE 802.11協(xié)議族提供了不同的方式提供相應(yīng)的接入機(jī)制。EDCA機(jī)制和DCF機(jī)制[1]有類似的基本接入過程和接入?yún)?shù)調(diào)整規(guī)則。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，分析節(jié)點(diǎn)在一定的競爭窗口CW內(nèi)隨機(jī)均勻選擇退避時(shí)間計(jì)數(shù)器，并啟動(dòng)退避時(shí)間計(jì)數(shù)器遞減過程。當(dāng)計(jì)數(shù)器遞減到“0”的時(shí)候，分析節(jié)點(diǎn)嘗試進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸。我們對(duì)節(jié)點(diǎn)分析傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候發(fā)可能生碰撞，那么分析節(jié)點(diǎn)會(huì)增大一倍競爭窗口CW的大小，并啟動(dòng)退避時(shí)間計(jì)數(shù)器遞減過程。如果數(shù)據(jù)傳輸成功，分析節(jié)點(diǎn)則重置競爭窗口CW為最小數(shù)值并開始一次新的數(shù)據(jù)傳輸。

EDCA機(jī)制和DCF機(jī)制最主要的差別在于，EDCA機(jī)制[1]針對(duì)每一種接入類別，提供了一套接入?yún)?shù)用于支持QoS服務(wù)需求：任意幀間隔（Arbitration Interframe Space，AIFS）、傳輸機(jī)會(huì)（Transmission Opportuni?ty，TXOP）、最小和最大競爭窗口（CWmin[AC]、CWmax[AC]）。

和DCF機(jī)制相比較，EDCA機(jī)制中存在兩個(gè)主要競爭關(guān)系：一是不同優(yōu)先等級(jí)節(jié)點(diǎn)之間的競爭，簡稱：互競爭；二是相同優(yōu)先等級(jí)節(jié)點(diǎn)之間的競爭，簡稱：內(nèi)競爭?；ジ偁幙梢允峭还?jié)點(diǎn)不同業(yè)務(wù)類型之間的競爭，也可以是不同節(jié)點(diǎn)不同業(yè)務(wù)類型之間的競爭。內(nèi)競爭通常是不同節(jié)點(diǎn)之間相同業(yè)務(wù)之間的信道競爭。

基于退避調(diào)整規(guī)則和不同的幀間隔，Xiao提出一種新優(yōu)先級(jí)分類的方法，進(jìn)一步分析優(yōu)化了基于時(shí)隙的分析模型，提出了一些最優(yōu)配置和自適應(yīng)接入機(jī)制，這些方法主要在IEEE 802.11e基礎(chǔ)上提供支持QoS需求。

1 AEDCF（Adaptive EDCF）

在LamiaRomdhani文獻(xiàn)中，多個(gè)競爭節(jié)點(diǎn)信道時(shí)，如果成功傳輸后將重置為會(huì)導(dǎo)致信道中碰撞率的增加，影響網(wǎng)絡(luò)性能。提出AEDCF機(jī)制，將碰撞率設(shè)置參數(shù)，節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)以自適應(yīng)方式動(dòng)態(tài)更新并設(shè)置CW值。其中，碰撞率可能在某周期內(nèi)沖突相應(yīng)的數(shù)量和相應(yīng)的發(fā)包總數(shù)用比值表示，可以呈現(xiàn)一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)碰撞的相關(guān)狀況，其值定義為：

在不同業(yè)務(wù)在變更CW值的情況下，還可以使不同業(yè)務(wù)類別間的優(yōu)先級(jí)關(guān)不變，而對(duì)CW做出相應(yīng)調(diào)整，可以用 MF（Multiplicator Factor），乘數(shù)因子MF相關(guān)的i類業(yè)務(wù)的定義為：

式（3）可以得出業(yè)務(wù)高的優(yōu)先使用相對(duì)小的MF值調(diào)整CW。

（1）AEDCF的中，i類業(yè)務(wù)如果傳送成功數(shù)據(jù)幀后，并不是簡單的將CW[ACi]重置為CWmin[ACi]，如下：

式(4)保證了CW[ACi]優(yōu)先級(jí)一直大于等于且保持CWmin[ACi]。

（2）如果i類業(yè)務(wù)失敗時(shí)，不會(huì)像EDCA中避更CW[ACi]，以 IEEE 802.11e舊版本（PF，Persistence Fac?tor）來調(diào)整CW的值，來確保業(yè)務(wù)擁有較小的較高優(yōu)先級(jí)PF[ACi]，使其降底新沖突的概率，所以這樣起到減少延遲：

2 FCR（碰撞快速解決機(jī)制）

我們在競爭的MAC機(jī)制中，為了獲得更高吞量，可以歸納以下幾點(diǎn)：

（1）為了避免降低競爭周期中的平均空閑時(shí)隙數(shù)，可以使用設(shè)備較小的退避隨機(jī)計(jì)時(shí)器，前提是在競爭周期內(nèi)且傳輸成功。

（2）為了降低碰撞幾率并避免可能會(huì)延遲相應(yīng)的幀節(jié)點(diǎn)的發(fā)生的退避隨機(jī)計(jì)時(shí)器。

（3）快速調(diào)整退避隨機(jī)計(jì)時(shí)器相應(yīng)的值，數(shù)據(jù)幀傳輸成功后，需降低退避計(jì)時(shí)器，若節(jié)點(diǎn)推遲傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，此時(shí)需加大退避計(jì)時(shí)器，這樣就能減少未來的碰撞概率。注意，如果在此過程中沒能感應(yīng)并測試某一段連續(xù)的空閑時(shí)隙，應(yīng)當(dāng)使其指數(shù)減小退避計(jì)時(shí)器以降低平均空閑時(shí)隙。

通過以上分析，我們給出了FCR機(jī)制，在這種機(jī)制下，可以更好地解決相互碰撞的概率問題，并在競爭周期中浪費(fèi)空閑相關(guān)問題。我們將其分為三個(gè)部分：成功傳輸數(shù)據(jù)幀狀態(tài)、碰撞和傳輸推遲狀態(tài)。另外，與IEEE 802.11eMAC相比，我們使用較小原始競爭窗口CWmin和較大的窗口競爭CWmax，如果感應(yīng)并測試到某一段連續(xù)空閑時(shí)隙時(shí)加快降低其相應(yīng)的退避計(jì)時(shí)器的值。FCR總結(jié)如下：

（1）退避情況下：信道被監(jiān)聽，如果空閑則使退避計(jì)時(shí)器（BT）減1，如果此值為0時(shí)，隊(duì)列中的數(shù)據(jù)幀開始傳輸相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。如果是連續(xù)的[(CWmin+1)×2-1]個(gè)空閑時(shí)隙，應(yīng)該加速降低退避計(jì)時(shí)器相應(yīng)的值。如，BTnew=BTold/2，若BTnew＜aSlotTime則BTnew=0。

從以上分析來看，在此情況下，在成功處理完成后，這樣可以降低空閑時(shí)隙的浪費(fèi)，可以高效回收信道。

（2）傳輸失?。喝绻l(fā)生數(shù)據(jù)幀沖突同時(shí)出現(xiàn)可能的傳輸不成功，我們要增大競爭窗口并重新計(jì)算隨機(jī)退避計(jì)時(shí)器值。如：

（3）傳輸成功：數(shù)據(jù)成功傳輸數(shù)據(jù)相應(yīng)幀后，使其窗口值重置為其最小競爭窗口CWmin并設(shè)置退避計(jì)時(shí)器計(jì)算相應(yīng)的值。即：

（4）傳輸推遲：如果信道被占用時(shí)，可以肯定沖突正在發(fā)生，或正在處理傳輸數(shù)據(jù)幀。此時(shí)，須加大競爭窗口并開始重新設(shè)置并計(jì)算退避計(jì)時(shí)器的值。即：

我們分析了相應(yīng)的方法并進(jìn)行了改進(jìn)，可以看出我們的處理能比原MAC提供更高的信道利用率和更高的吞吐量。在FCR中，我們重新計(jì)算退避計(jì)時(shí)器當(dāng)其數(shù)據(jù)幀沖突的時(shí)候，并重新設(shè)置相應(yīng)的值，可以降低并減少?zèng)_突概率。通過這種方式，能使絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)快速、高效地解決相應(yīng)的碰撞問題，但不能保證競爭占有信道公平性。

3 AFEDCF（Adaptive Fair EDCF）

Mohammad Malli在文獻(xiàn)[2]中表述并得出一種自適應(yīng)公平EDCF機(jī)制，我們認(rèn)為，為了減少數(shù)據(jù)幀沖突和對(duì)空閑時(shí)隙的浪費(fèi)可能導(dǎo)致協(xié)議性能的下降。所以我們提出了AFEDCF機(jī)制，相關(guān)表述如下：

（1）計(jì)時(shí)器退避減少：在原IEEE 802.11e機(jī)制中，如果發(fā)現(xiàn)有空閑信道，檢測相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，將它們的退避計(jì)時(shí)器減少一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間，即BTnew[ACi]=BTold[ACi]-ST。我們在AFEDCF的退避計(jì)時(shí)器將剩余的值小于等于退避閾值（Backoff Threshold），若測試到某段連續(xù)的空閑時(shí)隙Bof_Th[ACi]，將降低避計(jì)時(shí)器。當(dāng)其達(dá)到0時(shí)，傳送報(bào)報(bào)文。即：

BTnew[ACi]=BTold[ACi]/2 若 BTnew[ACi]＜ST ，則BTnew[ACi]=0

（2）數(shù)據(jù)幀沖突狀態(tài)：數(shù)據(jù)幀沖突并可能使其傳送失敗，可以修改：

①設(shè)置競爭窗口值CW[ACi]加倍：

②使用式（7）更新其BT[ACi]：

③使用式（8）減小其Bof_Th[ACi]值：

（3）成功傳送數(shù)據(jù)幀：如果成功傳送相應(yīng)數(shù)據(jù)幀后，我們還是以IEEE 802.11e中的機(jī)制將當(dāng)前競爭窗口值CW[ACi]重置為CWmin[ACi]，但要根據(jù)式（7）和式（8）更新其BT[ACi]和Bof_Th[ACi]值。

通過以上分析，為了減少網(wǎng)絡(luò)中浪費(fèi)空閑時(shí)隙，使用自適應(yīng)可以快速降低計(jì)時(shí)器的值，可以調(diào)協(xié)使用退避閾值Bof_Th[ACi]由不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的CW參數(shù)計(jì)算進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，同時(shí)注意，此方案一般用在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不大的情況下，且存在連續(xù)空閑時(shí)隙，在這種情況下，可以保證相同優(yōu)先級(jí)的公平性。