摘要：IEEE802.11e标准中业务优先级不同的AC（access category）是通过设置不同的竞争窗口最大、最小值CWmax，CWmin和仲裁帧间隔值来体现的，如高优先级AC设置小的CWmin，CWmax和AIFS值。研究表明，EDCA对每个AC指定的默认参数值只适用于中等负载、节点数目少的网络场景，并不适用于负载较重、节点数目较多且链路动态变化的Ad hoc网络环境。提出了一种根据网络状况动态调整IEEE 802.11e EDCA的QoS参数的新方案IEDCA，该方案根据网络状态调整竞争窗口CW，并通过修改退避计数器值调整AIFS参数，使IEDCA适合动态变化的Ad hoc网络环境，采用NS2仿真软件对EDCA改进协议IEDCA进行仿真。仿真结果表明，随着网络中负载的增加，IEDCA的吞吐量表现平稳，而EDCA吞吐量是下降的。另外，在业务公平性方面，对优先级不同的业务IEDCA比EDCA的表现更公平。
关键词：Ad hoc网络；EDCA；QoS
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）04-0024-04
0引言
IEEE802.11e标准中基于竞争的增强分布式信道接入机制EDCA根据QoS参数的不同，把业务分为8个用户优先级（TC）和4个接入类别，8个TC通过映射算法映射到4个接入类别AC，4个AC分别对应着语音业务（AC_VO）、视频业务（AC_VI）、尽力而为业务（AC_BE）和背景数据业务（AC_BK），对应不同优先级业务的AC设置不同的竞争窗口最大、最小值CWmax，CWmin和仲裁帧间隔值，高优先级AC设置小的CWmin，CWmax和AIFS值，从而有更多的竞争机会和更小的等待延迟接入信道。研究表明，EDCA对每个AC指定的默认参数值只适用于中等负载、节点数目少的网络场景，并不适用于负载较重、节点数目较多且链路动态变化的ad hoc网络环境，所以，研究学者给出了多种EDCA参数值根据网络状况进行动态调整的方案。文献[1]中通过监测2个传输时间间隔的空闲时隙数目来估计网络中节点数目，根据网络中节点数目调整竞争窗口值CW。文献[2]介绍了一种根据AC内部冲突次数进行调整的随机仲裁帧间空间数（RAIFSN）算法，每个AC内部根据冲突次数指定不同间隔的随机AIFS，从而降低AC内部不同节点间冲突概率。但是以往的研究大多是只针对一类参数进行调整，不能对多个参数进行联合调整，本文介绍一种根据网络状况联合调整竞争窗口CW和AIFS的方法。
1自适应EDCA参数调整算法
本节介绍一种根据网络负载状况动态调整竞争窗口值和仲裁帧间隔AIFS值的EDCA改进方案IEDCA，竞争节点持续地监视网络负载情况，通过算法1和算法2分别得到最佳竞争窗口值CW和仲裁帧间隔AIFS，然后通过beacon帧把得到的竞争窗口值CW和仲裁帧间隔广播给网络中的其他节点，接收到beacon帧的节点利用更新的竞争窗口值CW和仲裁帧间隔AIFS竞争信道的访问权。
1.1竞争窗口CW调整算法
竞争窗口CW调整算法的主要思想是：竞争节点监控着网络吞吐量，根据吞吐量增加还是减小在特定时间间隔修改竞争窗口值CW。算法中，我们引入一个阈值（当前吞吐量与先前吞吐量之间的比值）来决定更新窗口参数值CW，例如，如果这个阈值thrsh为0.1，表示当前吞吐量至少比先前吞吐量增加或减少10%才修改窗口参数值，另外，在更新窗口参数值时我们引入坚持因子PF，竞争窗口值不再像BEB算法那样当发生冲突时简单地增加2倍，当数据发送成功时简单地减小到原来的1/2，而是在发生冲突或数据发送成功时增加PF倍或减小1/PF，最后，算法中规定，修改窗口参数时，4个AC的CWmin，CWmax同时被修改，从而保持了AC间的容量平衡，同时，修改的参数值最低不能低于表1中规定的EDCA默认参数值的最小值[3-8]。算法的伪代码如算法1所示。
1.2仲裁帧间隔AIFS调整算法
该算法的主要思想：因为BEB算法在执行退避过程后检测到信道持续空闲AIFS个时隙退避计数器值减1，当随机退避计数器值减小到0时，才允许发送数据分组，这样会造成很多不必要的等待时间，本算法通过修改退避计数器值来缓解冲突和等待时间。当信道空闲时，AIFS值均匀地从间隔{1，2，3，…，H}中取得，我们把取得的值定义为随机帧间间隔（RIFS），所有的AC都从相同的间隔取得RIFS值，每个AC[i]均匀地从间隔{0，1，…，CW[ACi]-1}中选择新的退避值，当信道空闲RIFS个时隙时，发送节点开始减小退避计数器值，当在RIFS个空闲时隙内信道变忙，发送节点将均匀地从间隔{1，2，…，K}中取随机值k，并且在当前退避计数器值上加k，这样可以做出快速反应减小等待时间。仲裁帧间隔AIFS调整算法的伪代码如算法2所示，其中为退避计数器值的上限。
图1演示了3个节点S1，S2，S3竞争信道的例子，黑色箭头表示选择的RIFS数，表中包括每个竞争阶段（1到3）的RIFS和BO值，大字体意味BO已经更新，在第1个竞争阶段，节点选择10，5和1这3个RIFS时隙值，节点S3等待一个时隙（t=1）开始降低退避计数器值，在t=5时刻，节点S2开始减小退避计数器值，在t=9时刻，节点S2的退避计数器值等于0开始传输数据，其他节点冻结各自的退避计数器值，当信道变得繁忙时，节点S1不减小退避计数器值而是在当前退避计数器值上增加1个随机值。在第2个竞争阶段，节点S3在2个时隙后（t=2）继续减小它的退避计数器值，其他2点S1与S2在各自特定RIFS时隙后，开始减小他们的退避计数器值，并且，因为节点S1在第1个竞争阶段没有减小退避计数器值，所以在第2阶段在退避计数器值上增加4个时隙。在竞争阶段3，节点S3不减小它的退避计数器值而是在子竞争阶段在当前退避计数器值上增加1个随机数，对于节点内部AC间的内部冲突，IEDCA赋予高优先级AC优先接入信道的访问权。 2.1仿真场景
我们使用NS2仿真工具观察EDCA和IEDCA的性能，路径损耗采用两线模型，物理层我们采用802.11b的DSSS模式，网络中节点随机分布在300×300的区域，整个网络全联通，整个仿真环境中，每个节点500 ms传输一次beacon帧，每传输8个beacon帧更新一次参数值，节点周期性地监测网络负载情况，假定每个AC中数据包大小为1 500 bytes，并且EDCA的4个AC都处于饱和态，即一直有数据包等待发送，信道比特率为8 Mbit/s，此处PF取值2，仿真时间为500 s。仿真环境的默认参数如表1所示。
为了测试IEDCA对变化的网络环境适应情况，我们开始时每个AC只有1个节点，然后每20 s翻倍一次AC中的节点个数，一直到每个AC中的节点个数达到32为止，整个仿真时间500 s。
2.2仿真结果
节点检测到网络中节点增多，节点自动执行Algorithm 1的增长状态部分算法[910]，当节点检测到网络负载在减小，就会自动执行Algorithm 1的减小状态部分代码，IEDCA通过根据网络负载情况动态地修改竞争窗口CW，整个仿真过程中随着每个AC中节点个数的增加，AC的吞吐量是稳定的， 而EDCA中随着节点个数的增加，每个AC的吞吐量是下降的。图2和图3给出了EDCA和IEDCA中每个AC的吞吐量与节点个数的关系。
图2EDCA中每个AC的吞吐量与节点个数关系我们采用文献[3]中的公平系数定义F=（∑nij=1φj）2ni×∑nij=1φ2j，其中，ni表示一个AC中的数据包所来自不同节点的节点个数，φj表示 AC[i]中节点j的传输能力，F的取值范围为[0，1]，从图4，5的公平性表现图中可以看出IEDCA比EDCA的公平性系数F的表现好得多，这是因为EDCA中4个AC的窗口只允许被翻倍竞争窗口，如AC_VI从7到15，AC_VO从15到31，AC_BK与AC_BE从31到1 023，而IEDCA则是根据网络中节点个数动态调整竞争窗口值CW，同时通过动态调整AIFS值克服了EDCA固定AIFS值而造成的以牺牲低优先级业务AC_BE、AC_BK而满足高优先级业务AC_VI、AC_VI的不公平现象。
3结论
本文分别给出了一种根据网络负载情况调整竞争窗口CW和从随机帧间间隔RIFS中选取随机退避计数器值BO的帧仲裁间隔AIFS方案，解决了EDCA参数不能根据网络状况进行调整的问题，仿真结果表明，IEDCA在吞吐量和公平性方面的性能表现都比EDCA性能优。
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