隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性和可靠性要求越來越高，基于IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)近年來得到了快速、廣泛的應(yīng)用。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為接入點(diǎn)（AP）和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。但由于無線網(wǎng)絡(luò)本身的特性和多種物理層傳輸技術(shù)的應(yīng)用，合適的媒體接入控制MAC協(xié)議對(duì)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。

在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的MAC協(xié)議包括：CSMA/CA、DCF、PCF等，為了在MAC子層實(shí)現(xiàn)對(duì)不同業(yè)務(wù)流的QoS支持，IEEE 802.11e工作組在IEEE 802.11中DCF機(jī)制的基礎(chǔ)上提出了增強(qiáng)分布式信道接入機(jī)制（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA），使得無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以更好地提供音頻和視頻業(yè)務(wù)的服務(wù)。

EDCA將不同的業(yè)務(wù)流分為4個(gè)不同的優(yōu)先等級(jí)AC（Access Categories），每一個(gè)AC對(duì)應(yīng)一個(gè)隊(duì)列，通過設(shè)置仲裁幀間間隔（Arbitration Interframe Space，AIFS）、最小競爭窗口值CWmin、最大競爭窗口CWmax和傳輸機(jī)會(huì)TXOP（TraNSmission Opportunity）4個(gè)參數(shù)值實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)流間的業(yè)務(wù)區(qū)分。文獻(xiàn)研究表明，由于無線網(wǎng)絡(luò)狀況的移動(dòng)性和復(fù)雜性，EDCA算法中4個(gè)參數(shù)的靜態(tài)設(shè)置并不能使無線網(wǎng)絡(luò)的性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)，特別在高負(fù)載或突發(fā)業(yè)務(wù)量較大的狀況下，由于無線網(wǎng)絡(luò)中有較高的沖突率，EDCA的網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降，無法滿足網(wǎng)絡(luò)用戶的要求。也有相關(guān)研究通過CW的自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制及相關(guān)退避算法的改進(jìn)，如Lamia Romdhani提出的AEDCF機(jī)制（Adaptive EDCF，AEDCF）；Younggoo Kwon提出的快速碰撞解決機(jī)制（Fast Collision Resolutio，F(xiàn)CR）等，使得EDCA算法更適合無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。但這些研究都沒有考慮EDCA算法本身及參數(shù)AIFS、CWmin、CWmax和TXOP調(diào)整后對(duì)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)公平性（節(jié)點(diǎn)間和不同業(yè)務(wù)流間）帶來的影響。

本文提出了一種基于公平的EDCA算法（Fairness-based EDCA，F(xiàn)EDCA）。FEDCA算法的基本思想是通過加權(quán)輪詢的方式確定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接入類別和本次信道偵聽的時(shí)間，通過公平因子的計(jì)算確定TXOP參數(shù)，以達(dá)到保證網(wǎng)絡(luò)公平性的條件下提高網(wǎng)絡(luò)性能和QoS保證的目的。并通過仿真結(jié)果驗(yàn)證該算法的可行性。

1 EDCA算法

EDCA是IEEE 802.11e工作組在IEEE 802.11協(xié)議中DCF機(jī)制基礎(chǔ)上進(jìn)行QoS支持提出的，其基本的接入信道方式與DCF保持一致，各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以CSMA/CA方式通過競爭獲得信道接入的機(jī)會(huì)。同時(shí)EDCA提供了不同類型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩喾N信道接入類別AC，可以實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的服務(wù)區(qū)分。

1.1 EDCA算法簡介

為保證不同業(yè)務(wù)的不同QoS要求，EDCA算法定義了上層的8類業(yè)務(wù)類別（Traffic Category，TC）和本層的4類基于IEEE 802.1D的接入類別（Access Category，AC），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）類的業(yè)務(wù)。為實(shí)現(xiàn)4個(gè)AC隊(duì)列不同優(yōu)先級(jí)的區(qū)別，定義了4個(gè)參數(shù)：仲裁幀間間隔AIFS、最小競爭窗口值CWmin、最大競爭窗口CWmax和傳輸機(jī)會(huì)TXOP.不同的AC通過不同的參數(shù)設(shè)置，控制其接入信道的過程，從而實(shí)現(xiàn)了不同業(yè)務(wù)類型的區(qū)分。

某一移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)一個(gè)AC隊(duì)列內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送。首先在一個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部爭奪傳輸機(jī)會(huì)TXOP，獲得傳輸機(jī)會(huì)的隊(duì)列才有可能獲得信道接入的機(jī)會(huì)。其次，獲得信道接入機(jī)會(huì)的分組再在不同的節(jié)點(diǎn)間通過CSMA/CA方式獲得信道接入機(jī)會(huì)才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。EDCA算法完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)谝浑A段的任務(wù)：不同隊(duì)列通過競爭獲得傳輸機(jī)會(huì)。

IEEE 802.11e EDCA的基本訪問機(jī)制如圖1所示。

圖1 IEEE 802.11e EDCA的基本訪問機(jī)制

當(dāng)因競爭信道發(fā)生沖突時(shí)，就進(jìn)入退避過程。在此過程中，將退避計(jì)數(shù)器Backoff Timer置為[0，CW[AC]]范圍內(nèi)的任一整數(shù)值：Backoff_Timer（BT）=uniform[0，CW]×aSlotTime.CW[AC]的初始值設(shè)為CWmin[AC].當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，CW[AC]的值就增加為（CW[AC]+1）×2-1，當(dāng)CW[AC]增加到CWmax[AC]時(shí)，就維持CWmax[AC]的值不變，不再增加。當(dāng)數(shù)據(jù)幀成功發(fā)送之后，將CW[AC]的值重置為CWmin[AC]，繼續(xù)偵聽信道。退避計(jì)時(shí)器每檢測到一個(gè)空閑時(shí)隙，其值（BT）減1，最先減到零的數(shù)據(jù)幀占用信道，若節(jié)點(diǎn)內(nèi)多個(gè)AC的退避計(jì)時(shí)器同時(shí)減到零，則較高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的數(shù)據(jù)幀將占用信道，其他數(shù)據(jù)幀又進(jìn)入新一輪的退避過程。

1.2 EDCA算法分析

從圖1中可以看出，較高優(yōu)先級(jí)的AC通過設(shè)置較小的AIFS、CWmin和CWmax將優(yōu)先獲得無線信道的訪問權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)不同不同業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)區(qū)分。IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)中給出了一組EDCA參數(shù)建議值，適合于大部分情況下的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。但由于無線網(wǎng)絡(luò)本身的移動(dòng)性和可擴(kuò)展性，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大或網(wǎng)絡(luò)流量動(dòng)態(tài)變化時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)中的建議值會(huì)對(duì)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)及某一節(jié)點(diǎn)下的不同業(yè)務(wù)流造成不公平的現(xiàn)象，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）AIFS、AIFSN設(shè)置值導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間的不公平性。IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)中給出AIFS[AC]=aSIFSTime+AIFSN[AC]×aSlotTime.網(wǎng)絡(luò)中所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)AIFS、AIFSN值相同，這樣有可能在網(wǎng)絡(luò)中引起準(zhǔn)同步現(xiàn)象（某一節(jié)點(diǎn)本次通過競爭獲得信道使得下次競爭獲得信道的概率增大）的出現(xiàn)，導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)多次競爭而無法獲得信道的現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，從而使得不同節(jié)點(diǎn)接入信道、共享資源的不公平，同時(shí)進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)鏈路的利用率，影響業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量。

（2）AIFSN值的固定設(shè)置導(dǎo)致不同等級(jí)業(yè)務(wù)流間的不公平。由于高優(yōu)先級(jí)的AIFSN值較小，在高優(yōu)先級(jí)需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較多的情況下，低優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)流在競爭信道時(shí)始終無法獲得信道，必然導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的“饑餓”現(xiàn)象。

（3）CWmin和CWmax的設(shè)置。從EDCA的基本訪問機(jī)制來看，CW[AC]的值成為影響AC隊(duì)列發(fā)送數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)失敗后重新競爭獲得信道的關(guān)鍵因素。CWmin和CWmax值雖然實(shí)現(xiàn)了不同業(yè)務(wù)間的業(yè)務(wù)區(qū)分，但在網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載情況下，同樣會(huì)導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的“饑餓”現(xiàn)象。

（4）TXOP的設(shè)置。TXOP反映了獲得數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)會(huì)的隊(duì)列最大發(fā)送數(shù)據(jù)幀數(shù)。如果采用IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)中的參考值，就會(huì)導(dǎo)致不公平的信道競爭機(jī)制在各業(yè)務(wù)流間更大的不公平。

（5）EDCA算法沒有考慮節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性及信道干擾導(dǎo)致誤碼對(duì)網(wǎng)絡(luò)公平性的影響。

基于此，為提高無線網(wǎng)絡(luò)的公平性、網(wǎng)絡(luò)性能及不同業(yè)務(wù)流的QoS保證，F(xiàn)EDCA算法對(duì)EDCA算法中的AIFSN、CWmin、CWmax和TXOP四個(gè)參數(shù)依據(jù)公平性原則進(jìn)行調(diào)整，以保證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間和不同等級(jí)業(yè)務(wù)間的公平。