基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)近年來得到了快速、廣泛的應(yīng)用，受到設(shè)備制造廠商的普遍支持。大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)均采用了IEEE 802.11 DCF 協(xié)議[1]。盡管DCF(Distributed Coordination Function)協(xié)議可以比較方便地組建網(wǎng)絡(luò),但由于各種新業(yè)務(wù)的相繼出現(xiàn),對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有了更高的要求，不同業(yè)務(wù)在吞吐率、帶寬、延時(shí)等方面有著不同的要求。為了在 MAC 層為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)傳輸提供一定程度的 QoS 服務(wù)支持,IEEE 802.11 工作組在 DCF 協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推出EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)協(xié)議。EDCA可以為不同類型的業(yè)務(wù)提供有優(yōu)先級(jí)區(qū)分的信道接入傳輸服務(wù)，以使得網(wǎng)絡(luò)中高優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)獲得較低優(yōu)先級(jí)普通業(yè)務(wù)優(yōu)先的 MAC 層傳輸。
    由于網(wǎng)絡(luò)狀況的復(fù)雜性，EDCA中的靜態(tài)參數(shù)設(shè)置并不能使系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu),很多研究表明[2-4]，在高負(fù)載狀況下由于網(wǎng)絡(luò)中有較高的沖突率，EDCA的性能表現(xiàn)并不如人意。因此，對(duì)協(xié)議參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整以保證不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下的協(xié)議性能成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。其中節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送機(jī)會(huì)TXOP(Transmission Opportunity)[1]對(duì)協(xié)議的性能有著重要影響，許多研究[3-4]對(duì)不同信道情況的TXOP設(shè)定進(jìn)行了研究和實(shí)驗(yàn)分析，但它們僅通過設(shè)定具體值進(jìn)行比較分析，并沒有提出對(duì)TXOP的設(shè)置方法。本文先對(duì)EDCA的業(yè)務(wù)分級(jí)策略和工作方式進(jìn)行了研究和分析，然后根據(jù)碰撞和重傳次數(shù)提出動(dòng)態(tài)調(diào)整 TXOP 參數(shù)設(shè)置的控制算法DA-TXOP(dynamic adjust TXOP)。它能夠在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)提高TXOP值，在系統(tǒng)負(fù)載較輕的情況下減小TXOP的值。
1 IEEE 802.11e EDCA機(jī)制分析
1.1 EDCA機(jī)制的業(yè)務(wù)分級(jí)策略及工作方式
    EDCA協(xié)議是在DCF協(xié)議基礎(chǔ)上經(jīng)過QoS支持?jǐn)U展而來的，能夠?qū)Σ煌膬?yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)提供不同的QoS服務(wù)。IEEE 802.11e EDCA定義了8類業(yè)務(wù)類TC(Traffic Category)和4類接入類別AC(Access Category)，8類TC分別映射至4類AC的隊(duì)列中：AC_VO、AC_VI、AC_BE和AC_BK，分別代表語音（Voice）類、視頻（Video）類、盡力而為（Best Effort）類和背景（Background）類。表1為優(yōu)先級(jí)和接入類別的映射關(guān)系。

　不同的AC采用不同的參數(shù)設(shè)置控制其信道接入傳輸過程,這些參數(shù)包括CWmin/CWmax、AIFS 以及TXOP。AIFS由DIFS 擴(kuò)展而來,其大小由式(1)確定:
    
其中AIFS[ACi]是AIFS[i]中包含的時(shí)隙個(gè)數(shù)，aSlotTime是時(shí)隙時(shí)間。EDCA為不同的業(yè)務(wù)定義了不同大小的CWmin和CWmax。這樣當(dāng)業(yè)務(wù)回退時(shí)，擁有較小競(jìng)爭(zhēng)窗口的業(yè)務(wù)就會(huì)比較快地回退，盡早地占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)，從而擁有較高的優(yōu)先級(jí)。高優(yōu)先級(jí)的AC通常采用較小的AIFS設(shè)置。TXOP機(jī)制用于節(jié)點(diǎn)在成功獲得信道占用權(quán)之后,無競(jìng)爭(zhēng)地突發(fā)傳輸多個(gè)同一AC隊(duì)列中的數(shù)據(jù)。突發(fā)傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間長(zhǎng)度受參數(shù)設(shè)置 TXOPlimit 的限制。節(jié)點(diǎn)在TXOPlimit 時(shí)間內(nèi)享有持續(xù)的信道占用權(quán)，可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而無須再為每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸執(zhí)行退避過程。顯然，越小的CWmin、CWmax和AIFS則意味著站點(diǎn)可以以更大的幾率接入信道，從而對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)也越高。
    802.11e EDCA的基本訪問機(jī)制如圖1所示。從圖中可以看出,不同AC的AIFS間隔與其他幀間間隔的關(guān)系，一個(gè)AIFS至少是一個(gè)DIFS的時(shí)間。在EDCA中，退避計(jì)數(shù)器的取值范圍為[0，CW-1]，其中不同的AC擁有不同的CW。

     CWmin、CWmax、AIFS和TXOP應(yīng)該結(jié)合在一起進(jìn)行設(shè)置。需要注意的是：為高優(yōu)先等級(jí)數(shù)據(jù)設(shè)置的CWmax值與AIFS值之和應(yīng)該大于為低優(yōu)先等級(jí)數(shù)據(jù)設(shè)置的CWmix值與AIFS值之和，這樣，低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)就不會(huì)完全被封鎖。
1.2  EDCA的TXOP機(jī)制
　采用 TXOP 機(jī)制，節(jié)點(diǎn)在成功競(jìng)爭(zhēng)獲得信道傳輸機(jī)會(huì)之后將連續(xù)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)。各個(gè)站點(diǎn)在檢測(cè)到信道空閑時(shí)，發(fā)送的是MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元MSDU（MAC Service Data Unit），IEEE 802.11 DCF機(jī)制每次只允許發(fā)送一個(gè)MSDU數(shù)據(jù)單元，發(fā)送成功后站點(diǎn)失去信道，如果想要發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)就需要進(jìn)行新一輪的信道競(jìng)爭(zhēng)。而EDCA中的TXOP機(jī)制就是允許站點(diǎn)在一定的時(shí)間（TXOPlimit）內(nèi)發(fā)送多個(gè)MSDU而無需再次競(jìng)爭(zhēng)信道，可以間隔 SIFS 時(shí)間連續(xù)地傳輸 TXOPN[i]個(gè)數(shù)據(jù)，如圖2所示，這種機(jī)制可以降低連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的點(diǎn)到點(diǎn)時(shí)延，提高信道的利用率。EDCA中的TXOP機(jī)制也可以稱為競(jìng)爭(zhēng)空閑脈沖CFB（Contention Free Bursting）模式。

    TXOP通過競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生或通過HCF授權(quán),研究實(shí)驗(yàn)證明TXOP[AC]不應(yīng)超過傳送最大尺寸的數(shù)據(jù)幀的時(shí)間。由IEEE 802.11e EDCA為每個(gè)AC典型配置的TXOP[1]見表2，其中盡力而為業(yè)務(wù)和背景業(yè)務(wù)的TXOP為零，這表示它們除了傳送RTS/CTS幀只能發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀了。EDCA機(jī)制能夠很好地支持高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)傳輸。

    除了使用HCF為各個(gè)AC設(shè)定的TXOP的值之外，許多研究都對(duì)不同信道情況下的TXOP設(shè)定進(jìn)行了研究和實(shí)驗(yàn)分析。參考文獻(xiàn)[5]中對(duì)系統(tǒng)飽和下CFB的性能分析后指出，系統(tǒng)在飽和狀態(tài)下，CFB增加了區(qū)分業(yè)務(wù)的能力，提高了系統(tǒng)性能。參考文獻(xiàn)[6]中分析：系統(tǒng)在非飽和狀態(tài)下，CFB能明顯地降低視頻數(shù)據(jù)和語音業(yè)務(wù)的時(shí)延，系統(tǒng)整體丟包率明顯減少。CFB增加了區(qū)分業(yè)務(wù)的能力，提高了系統(tǒng)性能。CFB模式下系統(tǒng)以犧牲低優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)為代價(jià)保證了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。
     可以得出，節(jié)點(diǎn)的TXOPN[i]參數(shù)設(shè)置得越大，信道的有效利用率就越大，同等情況下系統(tǒng)可以承載更多的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。但是增大TXOPN[i]后卻帶來了另一個(gè)問題：節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸延遲隨著TXOPN[i]的增加而增加。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在延遲敏感的業(yè)務(wù)時(shí)。延遲的增加將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在傳輸這些業(yè)務(wù)時(shí)無法滿足其延遲方面的QoS要求。因此，TXOPN[i]參數(shù)的設(shè)置需要考慮增強(qiáng)系統(tǒng)吞吐量性能和保證數(shù)據(jù)傳輸延遲要求兩者之間的相互制約關(guān)系。
2 改進(jìn)的EDCA中的TXOP機(jī)制

     上一小節(jié)可知：隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的增加，系統(tǒng)的吞吐量減少，提高TXOP的值可以提高系統(tǒng)的吞吐量。如果網(wǎng)絡(luò)擁塞，增加TXOP的值可能會(huì)提高系統(tǒng)吞吐量。然而過大的TXOP會(huì)使低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)出現(xiàn)“餓死”狀態(tài)。因此，根據(jù)碰撞和重傳次數(shù)來動(dòng)態(tài)調(diào)整TXOP參數(shù)設(shè)置的控制算法DA-TXOP(dynamic adjust  TXOP)，能夠在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)提高TXOP值，在系統(tǒng)負(fù)載較輕的情況下減小TXOP的值。
    在判定網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的方法上，對(duì)傳統(tǒng)的DCF機(jī)制的研究中,很多方案會(huì)根據(jù)成功發(fā)送時(shí)的窗口階來判定，窗口越大說明網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重。但是在EDCA中，每個(gè)AC具有各自不同的競(jìng)爭(zhēng)窗口范圍，尤其是高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，其窗口范圍可能小于一個(gè)階,而且TXOP是屬于每個(gè)AC的參數(shù),需要根據(jù)不同AC運(yùn)算出不同結(jié)果的通用方法。
　　基于以上考慮，本文采用了數(shù)據(jù)發(fā)送過程中遇到碰撞和需要重傳的次數(shù)來判定網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況的方法。為每個(gè)AC設(shè)置自己的一個(gè)計(jì)數(shù)器count，初始值為0，它有兩種增值途徑:(1)每當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送前發(fā)生了碰撞，count就加1;(2)在信道上發(fā)送數(shù)據(jù)后，沒有收到ACK幀，需要重傳時(shí)count也加1。這需要在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)比較正常和平穩(wěn)時(shí)，每個(gè)AC設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)COUNT值，一次發(fā)送數(shù)據(jù)的count與COUNT作比較，如果比它大，說明網(wǎng)絡(luò)比較擁塞。另外，為了保證TXOP運(yùn)算后結(jié)果的安全，DA-TXOP還引入了傳輸因子TF（Transmission Factor），用來對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行緩沖，它由各個(gè)AC根據(jù)自己的情況來設(shè)定。每個(gè)AC擁有自己的TXOPlimit_min和TXOPlimit_max來限制TXOP的邊界值。TXOP的運(yùn)算方式如式(2)所示。
  
       send(data,CW,TXOP);
     if(收到ACK)
     { count=0;
           N=0;
           Return;
     }
     if(超時(shí))
     {  N++;
             count=0;
            count+=N;
        }
         Return;}
其中N代表數(shù)據(jù)重傳次數(shù)，count和N的初始值都為0，count記錄的是本數(shù)據(jù)發(fā)送過程中的重傳次數(shù)和數(shù)據(jù)發(fā)送成功的那次的碰撞次數(shù)，因?yàn)檫@兩個(gè)量可以在一定程度上表示出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，count越大，表明網(wǎng)絡(luò)要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多。由圖3所示DA-TXOP接入流程圖可以清晰地看出它的工作原理。

     由分析可以得出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，本次傳送的TXOP會(huì)增加，符合提高系統(tǒng)吞吐量的要求，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較少時(shí)，TXOP值也會(huì)相應(yīng)地減少，以便防止網(wǎng)絡(luò)在不太擁塞情況下，低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)也會(huì)被“餓死”的情況出現(xiàn)。因此控制算法DA-TXOP能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀況來動(dòng)態(tài)確定TXOP的值,在一定程度上提高了系統(tǒng)的吞吐量。
3 性能仿真分析
　為了驗(yàn)證本文提出的TXOP優(yōu)化算法的性能,采用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真分析。仿真設(shè)置如表3所示。

    此外,假定各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到達(dá)率為100 packets/s，AC1和AC2的平均傳輸延遲限制分別設(shè)定為100 ms和 200 ms，數(shù)據(jù)丟失率均小于3%。選取的仿真對(duì)象為系統(tǒng)吞吐量和信道利用率。
　圖4為系統(tǒng)吞吐量的仿真結(jié)果，由仿真結(jié)果可見，當(dāng)優(yōu)先級(jí) 2 業(yè)務(wù)流數(shù)量增加到15時(shí),不采用DA-TXOP算法的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入了飽和狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量隨著優(yōu)先級(jí) 2 業(yè)務(wù)流數(shù)量的增加有所降低，已經(jīng)無法得到 QoS 保證。而對(duì)于采用了 DA-TXOP 算法的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量隨著優(yōu)先級(jí) 2 業(yè)務(wù)流數(shù)量得到很大的提升，系統(tǒng)性能有很大的改善。
    圖5為業(yè)務(wù)流增加過程系統(tǒng)信道利用率的仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可見，當(dāng)優(yōu)先級(jí) 2 業(yè)務(wù)流數(shù)量增加到14時(shí),不采用DA-TXOP算法的網(wǎng)絡(luò)的信道利用率隨著優(yōu)先級(jí)2業(yè)務(wù)流數(shù)量的增加有所降低，而對(duì)于采用了DA-TXOP 算法的網(wǎng)絡(luò)，由于算法的動(dòng)態(tài)調(diào)整，信道的利用率始終維持在臨近飽和區(qū)域。

    本文針對(duì)IEEE802.11e EDCA 中TXOP機(jī)制不能很好地保證QoS要求的問題，給出動(dòng)態(tài)調(diào)整TXOP參數(shù)設(shè)置的控制算法DC-TXOP，并對(duì)其進(jìn)行了分析和仿真。改進(jìn)機(jī)制根據(jù)碰撞和重傳次數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整 TXOP參數(shù)在一定程度上提高了系統(tǒng)的吞吐量和信道的有效利用率，能夠很好地保證QoS要求。
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