摘 要： 在對EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)的業務分級政策和工作方式進行研究與分析的基礎上，提出動态調整TXOP參數設定的控制算法DA-TXOP(dynamic adjust TXOP)。仿真結果表明，與EDCA中TXOP機制相比，改進機制在系統的吞吐量和信道使用率等性能上都有明顯提高。
關鍵詞： IEEE802.11e EDCA； DA-TXOP； 服務品質； 吞吐量
基于IEEE 802.11标準的無線區域網路近年來得到了快速、廣泛的應用，受到裝置制造廠商的普遍支援。大多數網絡均采用了IEEE 802.11 DCF 協定[1]。盡管DCF(Distributed Coordination Function)協定可以比較友善地組建網絡,但由于各種新業務的相繼出現,對網絡性能有了更高的要求，不同業務在吞吐率、帶寬、延時等方面有着不同的要求。為了在 MAC 層為網絡業務傳輸提供一定程度的 QoS 服務支援,IEEE 802.11 工作組在 DCF 協定的基礎上進一步推出EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)協定。EDCA可以為不同類型的業務提供有優先級區分的信道接入傳輸服務，以使得網絡中高優先級實時業務獲得較低優先級普通業務優先的 MAC 層傳輸。
由于網絡狀況的複雜性，EDCA中的靜态參數設定并不能使系統性能實作最優,很多研究表明[2-4]，在高負載狀況下由于網絡中有較高的沖突率，EDCA的性能表現并不如人意。是以，對協定參數的自适應調整以保證不同網絡負載情況下的協定性能成為目前研究的熱點。其中節點競争發送機會TXOP(Transmission Opportunity)[1]對協定的性能有着重要影響，許多研究[3-4]對不同信道情況的TXOP設定進行了研究和實驗分析，但它們僅通過設定具體值進行比較分析，并沒有提出對TXOP的設定方法。本文先對EDCA的業務分級政策和工作方式進行了研究和分析，然後根據碰撞和重傳次數提出動态調整 TXOP 參數設定的控制算法DA-TXOP(dynamic adjust TXOP)。它能夠在網絡擁塞時提高TXOP值，在系統負載較輕的情況下減小TXOP的值。
1 IEEE 802.11e EDCA機制分析
1.1 EDCA機制的業務分級政策及工作方式
EDCA協定是在DCF協定基礎上經過QoS支援擴充而來的，能夠對不同的優先級業務提供不同的QoS服務。IEEE 802.11e EDCA定義了8類業務類TC(Traffic Category)和4類接入類别AC(Access Category)，8類TC分别映射至4類AC的隊列中：AC_VO、AC_VI、AC_BE和AC_BK，分别代表語音（Voice）類、視訊（Video）類、盡力而為（Best Effort）類和背景（Background）類。表1為優先級和接入類别的映射關系。
不同的AC采用不同的參數設定控制其信道接入傳輸過程,這些參數包括CWmin/CWmax、AIFS 以及TXOP。AIFS由DIFS 擴充而來,其大小由式(1)确定:
其中AIFS[ACi]是AIFS[i]中包含的時隙個數，aSlotTime是時隙時間。EDCA為不同的業務定義了不同大小的CWmin和CWmax。這樣當業務回退時，擁有較小競争視窗的業務就會比較快地回退，盡早地占用信道發送資料，進而擁有較高的優先級。高優先級的AC通常采用較小的AIFS設定。TXOP機制用于節點在成功獲得信道占用權之後,無競争地突發傳輸多個同一AC隊列中的資料。突發傳輸的持續時間長度受參數設定 TXOPlimit 的限制。節點在TXOPlimit 時間内享有持續的信道占用權，可以直接進行資料傳輸而無須再為每個資料傳輸執行退避過程。顯然，越小的CWmin、CWmax和AIFS則意味着站點可以以更大的幾率接入信道，進而對應的優先級也越高。
802.11e EDCA的基本通路機制如圖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系，一個AIFS至少是一個DIFS的時間。在EDCA中，退避計數器的取值範圍為[0，CW-1]，其中不同的AC擁有不同的CW。
CWmin、CWmax、AIFS和TXOP應該結合在一起進行設定。需要注意的是：為高優先等級資料設定的CWmax值與AIFS值之和應該大于為低優先等級資料設定的CWmix值與AIFS值之和，這樣，低優先級業務就不會完全被封鎖。
1.2 EDCA的TXOP機制
采用 TXOP 機制，節點在成功競争獲得信道傳輸機會之後将連續傳輸多個資料。各個站點在檢測到信道空閑時，發送的是MAC服務資料單元MSDU（MAC Service Data Unit），IEEE 802.11 DCF機制每次隻允許發送一個MSDU資料單元，發送成功後站點失去信道，如果想要發送下一個資料就需要進行新一輪的信道競争。而EDCA中的TXOP機制就是允許站點在一定的時間（TXOPlimit）内發送多個MSDU而無需再次競争信道，可以間隔 SIFS 時間連續地傳輸 TXOPN[i]個資料，如圖2所示，這種機制可以降低連續發送資料的點到點時延，提高信道的使用率。EDCA中的TXOP機制也可以稱為競争空閑脈沖CFB（Contention Free Bursting）模式。
TXOP通過競争産生或通過HCF授權,研究實驗證明TXOP[AC]不應超過傳送最大尺寸的資料幀的時間。由IEEE 802.11e EDCA為每個AC典型配置的TXOP[1]見表2，其中盡力而為業務和背景業務的TXOP為零，這表示它們除了傳送RTS/CTS幀隻能發送一個資料幀了。EDCA機制能夠很好地支援高優先級業務傳輸。
除了使用HCF為各個AC設定的TXOP的值之外，許多研究都對不同信道情況下的TXOP設定進行了研究和實驗分析。參考文獻[5]中對系統飽和下CFB的性能分析後指出，系統在飽和狀态下，CFB增加了區分業務的能力，提高了系統性能。參考文獻[6]中分析：系統在非飽和狀态下，CFB能明顯地降低視訊資料和語音業務的時延，系統整體丢包率明顯減少。CFB增加了區分業務的能力，提高了系統性能。CFB模式下系統以犧牲低優先級的業務為代價保證了高優先級業務的服務品質。
可以得出，節點的TXOPN[i]參數設定得越大，信道的有效使用率就越大，同等情況下系統可以承載更多的業務資料傳輸。但是增大TXOPN[i]後卻帶來了另一個問題：節點的資料傳輸延遲随着TXOPN[i]的增加而增加。當網絡中存在延遲敏感的業務時。延遲的增加将導緻節點在傳輸這些業務時無法滿足其延遲方面的QoS要求。是以，TXOPN[i]參數的設定需要考慮增強系統吞吐量性能和保證資料傳輸延遲要求兩者之間的互相制約關系。