基于IEEE 802.11标准的无线局域网近年来得到了快速、广泛的应用，受到设备制造厂商的普遍支持。大多数网络均采用了IEEE 802.11 DCF 协议[1]。尽管DCF(Distributed Coordination Function)协议可以比较方便地组建网络,但由于各种新业务的相继出现,对网络性能有了更高的要求，不同业务在吞吐率、带宽、延时等方面有着不同的要求。为了在 MAC 层为网络业务传输提供一定程度的 QoS 服务支持,IEEE 802.11 工作组在 DCF 协议的基础上进一步推出EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)协议。EDCA可以为不同类型的业务提供有优先级区分的信道接入传输服务，以使得网络中高优先级实时业务获得较低优先级普通业务优先的 MAC 层传输。
    由于网络状况的复杂性，EDCA中的静态参数设置并不能使系统性能实现最优,很多研究表明[2-4]，在高负载状况下由于网络中有较高的冲突率，EDCA的性能表现并不如人意。因此，对协议参数的自适应调整以保证不同网络负载情况下的协议性能成为当前研究的热点。其中节点竞争发送机会TXOP(Transmission Opportunity)[1]对协议的性能有着重要影响，许多研究[3-4]对不同信道情况的TXOP设定进行了研究和实验分析，但它们仅通过设定具体值进行比较分析，并没有提出对TXOP的设置方法。本文先对EDCA的业务分级策略和工作方式进行了研究和分析，然后根据碰撞和重传次数提出动态调整 TXOP 参数设置的控制算法DA-TXOP(dynamic adjust TXOP)。它能够在网络拥塞时提高TXOP值，在系统负载较轻的情况下减小TXOP的值。
1 IEEE 802.11e EDCA机制分析
1.1 EDCA机制的业务分级策略及工作方式
    EDCA协议是在DCF协议基础上经过QoS支持扩展而来的，能够对不同的优先级业务提供不同的QoS服务。IEEE 802.11e EDCA定义了8类业务类TC(Traffic Category)和4类接入类别AC(Access Category)，8类TC分别映射至4类AC的队列中：AC_VO、AC_VI、AC_BE和AC_BK，分别代表语音（Voice）类、视频（Video）类、尽力而为（Best Effort）类和背景（Background）类。表1为优先级和接入类别的映射关系。

　不同的AC采用不同的参数设置控制其信道接入传输过程,这些参数包括CWmin/CWmax、AIFS 以及TXOP。AIFS由DIFS 扩展而来,其大小由式(1)确定:
    
其中AIFS[ACi]是AIFS[i]中包含的时隙个数，aSlotTime是时隙时间。EDCA为不同的业务定义了不同大小的CWmin和CWmax。这样当业务回退时，拥有较小竞争窗口的业务就会比较快地回退，尽早地占用信道发送数据，从而拥有较高的优先级。高优先级的AC通常采用较小的AIFS设置。TXOP机制用于节点在成功获得信道占用权之后,无竞争地突发传输多个同一AC队列中的数据。突发传输的持续时间长度受参数设置 TXOPlimit 的限制。节点在TXOPlimit 时间内享有持续的信道占用权，可以直接进行数据传输而无须再为每个数据传输执行退避过程。显然，越小的CWmin、CWmax和AIFS则意味着站点可以以更大的几率接入信道，从而对应的优先级也越高。
    802.11e EDCA的基本访问机制如图1所示。从图中可以看出,不同AC的AIFS间隔与其他帧间间隔的关系，一个AIFS至少是一个DIFS的时间。在EDCA中，退避计数器的取值范围为[0，CW-1]，其中不同的AC拥有不同的CW。

     CWmin、CWmax、AIFS和TXOP应该结合在一起进行设置。需要注意的是：为高优先等级数据设置的CWmax值与AIFS值之和应该大于为低优先等级数据设置的CWmix值与AIFS值之和，这样，低优先级业务就不会完全被封锁。
1.2  EDCA的TXOP机制
　采用 TXOP 机制，节点在成功竞争获得信道传输机会之后将连续传输多个数据。各个站点在检测到信道空闲时，发送的是MAC服务数据单元MSDU（MAC Service Data Unit），IEEE 802.11 DCF机制每次只允许发送一个MSDU数据单元，发送成功后站点失去信道，如果想要发送下一个数据就需要进行新一轮的信道竞争。而EDCA中的TXOP机制就是允许站点在一定的时间（TXOPlimit）内发送多个MSDU而无需再次竞争信道，可以间隔 SIFS 时间连续地传输 TXOPN[i]个数据，如图2所示，这种机制可以降低连续发送数据的点到点时延，提高信道的利用率。EDCA中的TXOP机制也可以称为竞争空闲脉冲CFB（Contention Free Bursting）模式。

    TXOP通过竞争产生或通过HCF授权,研究实验证明TXOP[AC]不应超过传送最大尺寸的数据帧的时间。由IEEE 802.11e EDCA为每个AC典型配置的TXOP[1]见表2，其中尽力而为业务和背景业务的TXOP为零，这表示它们除了传送RTS/CTS帧只能发送一个数据帧了。EDCA机制能够很好地支持高优先级业务传输。

    除了使用HCF为各个AC设定的TXOP的值之外，许多研究都对不同信道情况下的TXOP设定进行了研究和实验分析。参考文献[5]中对系统饱和下CFB的性能分析后指出，系统在饱和状态下，CFB增加了区分业务的能力，提高了系统性能。参考文献[6]中分析：系统在非饱和状态下，CFB能明显地降低视频数据和语音业务的时延，系统整体丢包率明显减少。CFB增加了区分业务的能力，提高了系统性能。CFB模式下系统以牺牲低优先级的业务为代价保证了高优先级业务的服务质量。
     可以得出，节点的TXOPN[i]参数设置得越大，信道的有效利用率就越大，同等情况下系统可以承载更多的业务数据传输。但是增大TXOPN[i]后却带来了另一个问题：节点的数据传输延迟随着TXOPN[i]的增加而增加。当网络中存在延迟敏感的业务时。延迟的增加将导致节点在传输这些业务时无法满足其延迟方面的QoS要求。因此，TXOPN[i]参数的设置需要考虑增强系统吞吐量性能和保证数据传输延迟要求两者之间的相互制约关系。
2 改进的EDCA中的TXOP机制

     上一小节可知：随着网络负荷的增加，系统的吞吐量减少，提高TXOP的值可以提高系统的吞吐量。如果网络拥塞，增加TXOP的值可能会提高系统吞吐量。然而过大的TXOP会使低优先级业务出现“饿死”状态。因此，根据碰撞和重传次数来动态调整TXOP参数设置的控制算法DA-TXOP(dynamic adjust  TXOP)，能够在网络拥塞时提高TXOP值，在系统负载较轻的情况下减小TXOP的值。
    在判定网络负载的方法上，对传统的DCF机制的研究中,很多方案会根据成功发送时的窗口阶来判定，窗口越大说明网络负载较重。但是在EDCA中，每个AC具有各自不同的竞争窗口范围，尤其是高优先级业务，其窗口范围可能小于一个阶,而且TXOP是属于每个AC的参数,需要根据不同AC运算出不同结果的通用方法。
　　基于以上考虑，本文采用了数据发送过程中遇到碰撞和需要重传的次数来判定网络拥塞状况的方法。为每个AC设置自己的一个计数器count，初始值为0，它有两种增值途径:(1)每当数据发送前发生了碰撞，count就加1;(2)在信道上发送数据后，没有收到ACK帧，需要重传时count也加1。这需要在网络状态比较正常和平稳时，每个AC设定一个基准COUNT值，一次发送数据的count与COUNT作比较，如果比它大，说明网络比较拥塞。另外，为了保证TXOP运算后结果的安全，DA-TXOP还引入了传输因子TF（Transmission Factor），用来对运算结果进行缓冲，它由各个AC根据自己的情况来设定。每个AC拥有自己的TXOPlimit_min和TXOPlimit_max来限制TXOP的边界值。TXOP的运算方式如式(2)所示。
  
       send(data,CW,TXOP);
     if(收到ACK)
     { count=0;
           N=0;
           Return;
     }
     if(超时)
     {  N++;
             count=0;
            count+=N;
        }
         Return;}
其中N代表数据重传次数，count和N的初始值都为0，count记录的是本数据发送过程中的重传次数和数据发送成功的那次的碰撞次数，因为这两个量可以在一定程度上表示出当前网络的拥塞程度，count越大，表明网络要发送数据的节点数目越多。由图3所示DA-TXOP接入流程图可以清晰地看出它的工作原理。

     由分析可以得出，当网络节点较多时，本次传送的TXOP会增加，符合提高系统吞吐量的要求，当网络节点较少时，TXOP值也会相应地减少，以便防止网络在不太拥塞情况下，低优先级业务也会被“饿死”的情况出现。因此控制算法DA-TXOP能够根据网络当前的状况来动态确定TXOP的值,在一定程度上提高了系统的吞吐量。
3 性能仿真分析
　为了验证本文提出的TXOP优化算法的性能,采用网络仿真平台进行仿真分析。仿真设置如表3所示。

    此外,假定各优先级业务数据到达率为100 packets/s，AC1和AC2的平均传输延迟限制分别设定为100 ms和 200 ms，数据丢失率均小于3%。选取的仿真对象为系统吞吐量和信道利用率。
　图4为系统吞吐量的仿真结果，由仿真结果可见，当优先级 2 业务流数量增加到15时,不采用DA-TXOP算法的网络进入了饱和状态，网络的系统吞吐量随着优先级 2 业务流数量的增加有所降低，已经无法得到 QoS 保证。而对于采用了 DA-TXOP 算法的网络，网络的系统吞吐量随着优先级 2 业务流数量得到很大的提升，系统性能有很大的改善。
    图5为业务流增加过程系统信道利用率的仿真结果。由仿真结果可见，当优先级 2 业务流数量增加到14时,不采用DA-TXOP算法的网络的信道利用率随着优先级2业务流数量的增加有所降低，而对于采用了DA-TXOP 算法的网络，由于算法的动态调整，信道的利用率始终维持在临近饱和区域。

    本文针对IEEE802.11e EDCA 中TXOP机制不能很好地保证QoS要求的问题，给出动态调整TXOP参数设置的控制算法DC-TXOP，并对其进行了分析和仿真。改进机制根据碰撞和重传次数动态调整 TXOP参数在一定程度上提高了系统的吞吐量和信道的有效利用率，能够很好地保证QoS要求。
参考文献
[1] IEEE 802.11. Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications[S].IEEE Std.802.11, 2007.
[2] XIONG L X, MAO G Q. Saturated throughput analysis of IEEE 802.11e EDCA[J]. Computer Networks,2007,51(11):3047-3068.
[3] SKORDOULIS D, NI Q. IEEE 802.11n MAC frame aggregation mechanisms for next-generation high-throughput WLANs[J].IEEE Wireless Communications, 2008,15(1):40-47.
[4] ANDREADIS A, ZAMBON R. QoS enhancement with dynamic TXOP allocation in IEEE 802.11e[C]. In: Protonotarios EN, ed. Proc. of the IEEE PIMRC 2007. Piscataway: IEEE, 2007：439-444.
[5] 黄志昊,李珊君.IEEE 802.11e EDCA在CFB模式下的性能分析[J].电子测量技术,2007,30(5):133-135.
[6] 阮加勇,黄本雄.IEEE 802.11e EDCF性能评估[J].华中科技大学学报,2004,32(6):7-9.