無線局域網正從傳統的非實時數據無線局域網應用向綜合業務無線局域網演進，用戶對于服務質量（QoS）的需求與日俱增[1]，業務的多樣化對網絡提出了不同的要求，需要網絡為各種不同的用戶及業務提供不同的服務質量QoS保證[2]。IEEE802.11e標準是為適應人們對移動通信業務服務質量的需求而提出，但在網絡規模較大或網絡拓撲變化頻繁的情況下,標準中的建議值往往不足以滿足業務需求。如何根據當前的網絡負載及業務分布情況來合理設置標準參數值,讓其自適應網絡，以實現網絡性能的最優化，是一個需要迫切解決的問題。
1 IEEE 802.11e及其EDCA機制存在的問題
    IEEE工作組于2005年底正式推出了IEEE 802.11e協議。該協議增強了原有的IEEE 802.11MAC信道接入方式,并支持優先級QoS和參數化QoS；該協議中包含了兩種接入模式,即增強型分布式信道訪問EDCA（Enhanced Distributed Channel Access)與混和協調功能控制信道訪問HCCA（HCF，Controlled Channel Access)。其中，增強型分布式信道訪問(EDCA)是分布式信道訪問（DCF）的增強版，只能在競爭期 CP(Contention Period)內使用,提供了不同優先級的QoS。混合控制信道訪問(HCCA)則擴展了點協調功能（PCF），在競爭期和無競爭期CFP(Contention Free Period)內均可使用,提供了參數化的QoS。
    增強型分布式信道訪問（EDCA）機制是目前學者研究的熱點，與IEEE 802.11標準的DCF機制相比較其改進主要集中在兩個方面：接入控制與碰撞管理機制[3]。
    (1)接入控制:在增強型分布式信道訪問(EDCA)機制模式下，傳送數據類似IEEE 802.11b的分布式協調功能（DCF），依然是基于 CSMA/CA (Carrier Sense Medium Access with Collision Avoidance)，它將IEEE 802.11b的訪問隊列AC從一個隊列變為8個不同優先級的隊列，不同的AC有不同的任意幀間隔AIFS(Arbitrary Inter Frame Space)、競爭窗口CW(Contention Window)和傳輸機會TXOP(Transmission Opportunities)，對于各式的數據，分別進入其對應的隊列。目前的研究以4個隊列最為常見，如對于聲音、圖像、盡力而為（best effort）、背景流（backgound），有其對應的隊列和不同的參數設置表，可以讓這些隊列在競爭信道時的優先級有差異，各隊列的傳送優先級從高到低依次為：聲音（AC0）>圖像（AC1）>盡力而為（best effort,AC2）>背景流（backgound,AC3），這樣可以使實時性強的數據較快地得到服務。
    (2)碰撞管理機制：在802.11e協議中， EDCA機制對來自不同站點的業務（隊列）之間沒有優先級設置，它們必須通過公平競爭獲得信道。協議中除了涉及兩個不同站的隊列碰撞即真正的物理層碰撞之外，還有一種新的碰撞——虛擬碰撞，也叫內部碰撞。 虛擬碰撞中涉及的碰撞隊列來自于同一個站點，如果從某站點發出的幾個隊列，在某一時間間隙同時完成退避，站點內部的調度器會允許高優先級發送，優先權最高的隊列將首先訪問信道，之后其他隊列將執行與真正的碰撞一樣的行為，且其競爭窗口增加了一倍，再次爭搶信道[4]。虛擬碰撞實現了隊列優先級的區分，同時在某種程度上，加大了隊列碰撞的機率。
    對于EDCA參數，802.11e標準中給出了一組建議值, 適合于大部分情況下的網絡應用。由于WLAN網絡業務是隨時變化的，在網絡規模較大且網絡拓撲（負載）變化頻繁的情況下,標準中的建議值往往不足以滿足業務需求，音視頻等實時業務也常常得不到及時的服務，且低優先級業務受到很大的限制。因此對研究具有動態調節EDCA參數的機制就顯得尤為重要和迫切，以滿足WLAN網絡業務QoS的需要。
2 a-EDCA算法機制
　 802.11b網絡處于高負荷狀態時，一方面，幀頭開銷及幀間間隔占用了信道傳輸時間；另一方面，沖突頻繁，有較多的碰撞與重傳，從而使業務總吞吐量有所下降。802.11e標準中的EDCA中采用了區分優先級的策略，是以犧牲低優先級業務的帶寬為前提的，使低優先級業務受到了很大的限制。當網絡規模較大且負載變化頻繁,尤其負荷變大時，網絡吞吐量嚴重下降并出現低谷現象。出現這一現象的主要原因是EDCA中優先傳輸的音頻和視頻流的幀長較短，傳輸的幀越短，幀的開銷比例就越大,且對背景流和盡力而為業務而言，AIFS與CW都較大，相當于空閑時隙增大，從而導致網絡吞吐量下降。遵循什么原則來設置或實時調整EDCA參數是目前學術界關注的熱點[5-6],但基于802.11ｅ標準參數建議值進行WLAN性能優化的算法則不多[7]，不能滿足實際WLAN網絡業務的需要。通過對802.11ｅ標準參數建議及實際WLAN網絡業務的分析研究，筆者提出了一種自適應調節EDCA機制——adaptive-EDCA機制(a-EDCA）。該算法參數設置仍然以802.11e EDCA中默認的參數為基礎, a-EDCA算法參數設置如表1所示。

    a-EDCA參數調整機制是根據網絡運行的具體條件動態地調整參數 CWmin和CWmax，從而及時適應網絡負載的變化。各個接入點AP連續監測網絡流量，通過參數調節算法確定CW的值，并廣播數據幀到內部其他站點，各站點在收到信息之后以更新后的參數值競爭信道，從而達到公平占用信道的目的。a-EDCA機制算法的基本思想是：接入點AP一直監聽網絡狀態，以1 s作為時間周期來判斷網絡吞吐量的變化，引入吞吐量變化門限值為0.3 Mb/s，當檢測到吞吐量變化量達到門限值時，就及時進行調整。當網絡負載變大時，若檢測到吞吐量減小，接入點AP將各業務流窗口CW[i]減小為原來的1/2，相對延長了高優先級業務的退避時間，縮短了低優先級業務的退避時間，有效減少了碰撞機率。網絡負載減少時，若檢測到吞吐量減小，則同時將各業務流的退避窗口CW[i]減小為原值的1/3，減少空閑時間。若檢測到吞吐量增大，則同時將各業務流的退避窗口CW[i]增大為原值的2倍。每作一次調整，對4個隊列的窗口CWmin和CWmax同時進行同倍數的調整,所以4隊列的業務流量比例始終不變，a-EDCA機制算法流程圖如圖1所示。

3 a-EDCA算法仿真分析
     為了驗證a-EDCA機制算法性能，根據網絡實際應用中的具體情況，建立了模擬仿真環境，并利用網絡仿真工具對該算法進行了仿真。仿真工具選擇NS2，仿真時物理層采用802.11b，物理帶寬設為6 Mb/s，整個仿真時間為3 min。開始時假設只有2個站分別發送聲音(AC0)、圖像(AC1)、盡力而為(best effort,AC2)以及背景流4種業務流。每經過15 s，發送各業務流的移動站增長一倍。60 s時發送各業務流的移動站達到16個，即發送4種業務的站共計64個；在60 s~105 s時間段內，保持64個發送站數目不變；105 s~165 s時間段內,發送各業務流的移動站開始每隔15 s以1/2遞減，到165 s時4種業務流的移動站遞減到2個；165 s~180 s時間段內,各業務流移動站沒有增減變化。分別對a-EDCA、EDCA算法的整體吞吐量及a-EDCA、EDCA算法4種業務流的吞吐量進行了仿真，仿真結果如圖2、圖3及圖4所示。圖3、4中AC0為聲音，AC1為圖像，AC2為盡力而為, AC3為背景流。

    從圖2的仿真結果可以看出，a-EDCA使整個網絡的吞吐量基本穩定在5 Mb/s左右，與EDCA相比較信道利用率得到了很大的提高。從圖3與圖4的仿真結果可以看出，在a-EDCA算法中，4種業務流的比例基本保持穩定,在為音視頻實時業務提供及時服務的前提下，保證了高低優先級業務的公平性。
    本文提出的a-EDCA算法能夠根據當前的網絡負載及業務分布情況來動態調整EDCA參數，以達到自適應網絡業務需求的目的，實現了網絡性能的最優化。通過仿真分析可知，該算法在為音視頻實時業務提供及時服務的同時，保證了低優先級業務的帶寬，提高了信道利用率。文中的站點來自于同一個站，主要是為了研究虛擬碰撞問題，不同站之間的競爭依然基于DCF機制，因此本文提出的算法在無線局域網中具有較大的推廣應用價值。
參考文獻
[1]   楊艷.IEEE802.11e中EDCA的性能分析與改進[D]. 北京:北京郵電大學學位論文，2008.
[2]   DAVCEVSKI M, JANEVSKI T. Analysis of 802.11e QoS of multimedia Environment, IEEE2005.
[3]   Mohamad El Masri LAAS-CNRS. IEEE 802.11e: the problem of the virtual collision  management within EDCA,    IEEE 2008.
[4]   HUANG Ching Ling, LIAO Wan Jiun. Throughput and  delay performance of IEEE802.11e enhanced distributed channel access(EDCA) Under Saturation Condition, IEEE 2007.
[5]   ANDREADIS A, BENELLI G, ZAMBON R. An admission     control algorithm for QoS provisioning in IEEE 802.11e  EDCA, IEEE 2008.
[6]   CHOUMAS K, KORAKIS T, TASSIULAS L, New prioritization schemes for QoS provisioning in 802.11 wireless networks， IEEE 2008.
[7]   吳杰康，段云飛. IEEE802.1le EDCA機制的一種參數調節策略.計算機應用，2008,28(8).