跟着网络技能的开展和运用，用户对网络的移动性和牢靠性要求越来越高，依据IEEE 802.11系列规范的无线Mesh网络近年来得到了快速、广泛的运用。在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以一起作为接入点(AP)和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接纳信号，每个节点都可以与一个或许多个对等节点进行直接通讯。但因为无线网络自身的特性和多种物理层传输技能的运用，适宜的媒体接入操控MAC协议对无线Mesh网络至关重要。
在无线Mesh网络中运用的MAC协议包含：CSMA/CA、DCF、PCF等，为了在MAC子层完结对不同事务流的QoS支撑，IEEE 802.11e工作组在IEEE 802.11中DCF机制的基础上提出了增强分布式信道接入机制(Enhanced Distributed Channel Access，EDCA)，使得无线Mesh网络可以更好地供给音频和视频事务的服务。
EDCA将不同的事务流分为4个不同的优先等级AC(Access Categories)，每一个AC对应一个行列，经过设置裁定帧间距离(Arbitration Interframe Space，AIFS)、最小竞赛窗口值CWmin、最大竞赛窗口CWmax和传输时机TXOP(TraNSmission Opportunity)4个参数值完结不同事务流间的事务差异。文献研讨标明，因为无线网络状况的移动性和复杂性，EDCA算法中4个参数的静态设置并不能使无线网络的功能完结最优，特别在高负载或突发事务量较大的状况下，因为无线网络中有较高的抵触率，EDCA的网络功能急剧下降，无法满意网络用户的要求。也有相关研讨经过CW的自适应调整机制及相关退避算法的改进，如Lamia Romdhani提出的AEDCF机制(Adaptive EDCF，AEDCF);Younggoo Kwon提出的快速磕碰处理机制(Fast Collision Resolutio，FCR)等，使得EDCA算法更适合无线网络环境。但这些研讨都没有考虑EDCA算法自身及参数AIFS、CWmin、CWmax和TXOP调整后对无线Mesh网络公正性(节点间和不同事务流间)带来的影响。
本文提出了一种依据公正的EDCA算法(Fairness-based EDCA，FEDCA)。FEDCA算法的根本思维是经过加权轮询的办法确认传输的数据接入类别和本次信道侦听的时刻，经过公正因子的核算确认TXOP参数，以到达确保网络公正性的条件下进步网络功能和QoS确保的意图。并经过仿真成果验证该算法的可行性。
1 EDCA算法
EDCA是IEEE 802.11e工作组在IEEE 802.11协议中DCF机制基础上进行QoS支撑提出的，其根本的接入信道办法与DCF坚持共同，各移动节点以CSMA/CA办法经过竞赛取得信道接入的时机。一起EDCA供给了不同类型事务数据传输的多种信道接入类别AC，可以完结不同事务的服务差异。
1.1 EDCA算法简介
为确保不同事务的不同QoS要求，EDCA算法界说了上层的8类事务类别(Traffic Category，TC)和本层的4类依据IEEE 802.1D的接入类别(Access Category，AC)，8类TC别离映射至4类AC的行列中：AC_VO，AC_VI，AC_BE和AC_BK，别离代表语音(Voice)类，视频(Video)类，尽力而为(Best Effort)类和布景(Background)类的事务。为完结4个AC行列不同优先级的差异，界说了4个参数：裁定帧间距离AIFS、最小竞赛窗口值CWmin、最大竞赛窗口CWmax和传输时机TXOP.不同的AC经过不同的参数设置，操控其接入信道的进程，然后完结了不同事务类型的差异。
某一移动节点经过两个阶段完结一个AC行列内的数据发送。首先在一个节点内部抢夺传输时机TXOP，取得传输时机的行列才有或许取得信道接入的时机。其次，取得信道接入时机的分组再在不同的节点间经过CSMA/CA办法取得信道接入时机才可以进行数据传输。EDCA算法完结数据传输第一阶段的使命：不同行列经过竞赛取得传输时机。
IEEE 802.11e EDCA的根本拜访机制如图1所示。
图1 IEEE 802.11e EDCA的根本拜访机制
当因竞赛信道产生抵触时，就进入退避进程。在此进程中，将退避计数器Backoff Timer置为[0，CW[AC]]范围内的任一整数值：Backoff_Timer(BT)=uniform[0，CW]×aSlotTime.CW[AC]的初始值设为CWmin[AC].当产生磕碰时，CW[AC]的值就添加为(CW[AC]+1)×2-1，当CW[AC]添加到CWmax[AC]时，就坚持CWmax[AC]的值不变，不再添加。当数据帧成功发送之后，将CW[AC]的值重置为CWmin[AC]，持续侦听信道。退避计时器每检测到一个空闲时隙，其值(BT)减1，最早减到零的数据帧占用信道，若节点内多个AC的退避计时器一起减到零，则较高优先级行列的数据帧将占用信道，其他数据帧又进入新一轮的退避进程。
1.2 EDCA算法剖析
从图1中可以看出，较高优先级的AC经过设置较小的AIFS、CWmin和CWmax将优先取得无线信道的拜访权，然后完结不同不同事务的事务差异。IEEE 802.11e规范中给出了一组EDCA参数主张值，适合于大部分状况下的网络运用。但因为无线网络自身的移动性和可扩展性，在网络规划较大或网络流量动态改动时，规范中的主张值会对无线Mesh网络各移动节点及某一节点下的不同事务流形成不公正的现象，详细表现在以下几个方面：
(1)AIFS、AIFSN设置值导致节点间的不公正性。IEEE 802.11e规范中给出AIFS[AC]=aSIFSTime+AIFSN[AC]×aSlotTime.网络中所有移动节点AIFS、AIFSN值相同，这样有或许在网络中引起准同步现象(某一节点本次经过竞赛取得信道使得下次竞赛取得信道的概率增大)的呈现，导致无线网络中其他节点屡次竞赛而无法取得信道的现象频频呈现，然后使得不同节点接入信道、共享资源的不公正，一起进一步下降网络链路的利用率，影响事务流的服务质量。
(2)AIFSN值的固定设置导致不同等级事务流间的不公正。因为高优先级的AIFSN值较小，在高优先级需传输的数据较多的状况下，低优先级的事务流在竞赛信道时一直无法取得信道，必定导致低优先级事务的“饥饿”现象。
(3)CWmin和CWmax的设置。从EDCA的根本拜访机制来看，CW[AC]的值成为影响AC行列发送数据和发送数据失利后从头竞赛取得信道的关键因素。CWmin和CWmax值尽管完结了不同事务间的事务差异，但在网络高负载状况下，同样会导致低优先级事务的“饥饿”现象。
(4)TXOP的设置。TXOP反映了取得数据发送时机的行列最大发送数据帧数。假如选用IEEE 802.11e规范中的参考值，就会导致不公正的信道竞赛机制在各事务流间更大的不公正。
(5)EDCA算法没有考虑节点的移动性及信道搅扰导致误码对网络公正性的影响。
依据此，为进步无线网络的公正性、网络功能及不同事务流的QoS确保，FEDCA算法对EDCA算法中的AIFSN、CWmin、CWmax和TXOP四个参数依据公正性准则进行调整，以确保移动节点间和不同等级事务间的公正。
2 FEDCA算法完结
依据以上剖析，本节详细评论无线网络中FEDCA算法详细完结进程。
2.1 FEDCA算法的完结
为确保移动节点间和同一节点内的不同等级事务流的公正，FEDCA算法完结进程可以归纳为：加权轮询调度、拥塞窗口CW动态调整、公正因子核算及TXOP调整。
(1)加权轮询调度。FEDCA算法履行模型如图2所示。
图2 FEDCA算法履行模型
加权轮询调度的思维是为确保各等级事务间的公正性，给每一子行列分配一个权值，依据不同的权值来调度不同子行列中的数据，而不是选用EDCA算法中的最小退避窗口的行列取得数据发送的时机。其详细的完结进程为每一子行列AC分配一个对应的权值W[AC](该权值标明该子行列可以接连发送数据的次数)，按轮询的办法为每个子行列发送数据，假如某一子行列内的数据不行发送Wi次或为空，转到下一子行列预备发送数据，如此轮番履行。
(2)拥塞窗口CW动态调整。为确保各移动节点间和同一移动节点内不同等级事务的公正性和进步体系的吞吐量，FECDA算法中所有事务等级的拥塞窗口CW都选用先指数退避在线性退避的办法，即对恣意行列在CWCWmax，拥塞窗口坚持CWmax不变。
(3)公正因子核算及TXOP调整。在每一轮轮询数据转发完结后，为确保同一移动节点中不同等级事务流的公正，FEDCA算法经过对每一子行列的公正因子F[AC]核算，并与事前规则的公正因子FD[AC]比较，经过比较的成果确认下一轮调度的每一子行列巨细TXOP[AC]=(TXOP[AC]+ΔTXOP[AC])，其详细改动联系如图3所示。
图3公正因子F[AC]与ΔTXOP[AC]联系示意图
2.2 FEDCA算法评论
从FEDCA算法完结进程来看：
(1)公正性的衡量。FEDCA算法选用份额公正作为衡量公正性的规范，也便是每一类事务占用的网络资源是成份额的，这样除了可完结各等级事务间的公正外还可进步体系的吞吐量。FEDCA算法对每一类事务分配一个公正因子用于标明该类事务在本移动节点共享资源中可运用的份额;
(2)在加权轮询调度时给每一子行列分配的权值W[AC]与联系FD[AC]：
(3)FEDCA算法经过轮询的办法确认可以发送的行列数据，在发送成功后其拥塞窗口CW的改动办法与EDCA算法共同，发送失利后拥塞防止的进程也与EDCA算法共同，但其拥塞窗口的改动选用FEDCA算法描绘中的办法，意图是保护节点内各等级事务的公正性。
(4)每一事务等级的公正因子FD[AC]核算公式为：
式中：Total-Length[AC]为本轮轮询调度中行列AC被调度的数据总长度;为确保每一行列能核算出该行列在本轮调度中的公正因子FD[AC]，对某一行列应保护一个计数器，用于计算该行列调度的数据长度Total-Length[AC].
(5)ΔTXOP[AC]的核算公式为：
如图3 所示，为了表现不同事务间的差异ΔTXOP[高] > ΔTXOP [低];F [高] max > F [低] max;F[高] min < F [低] min .一起图3给出的ΔTXOPmin[AC]与Fmin[AC]示意图，详细的各参数的设置可依据网络实际状况和网络管理员自行设定。考虑到无线网络运转的牢靠性和稳定性，本算法主张ΔTXOP [AC] max不超越TXOPmin[AC]的参考值的1/8 为宜，最大不能超越1/4。
3 仿真剖析
为了验证FEDCA 算法功能，经过网络仿真东西NS2 完结该算法和EDCA 算法的功能比较。仿真所选用的拓扑结构如图4所示，仿真时物理层选用802.11b，物理带宽设为11 Mb/s，4个移动节点别离发送VI、VO、BE和BK四种事务流，这4种事务流占总负载的份额为1∶1∶2∶4。别离对FEDCA、EDCA 算法的吞吐量、端到端的推迟及等级事务流量VO、VI的改动状况进行了仿真，仿真成果如图5~图7所示。
从图5的仿真成果可以看出，同一等级的事务选用FEDCA 算法事务量的改动起伏及改换频率比EDCA算法要小，并且不同等级的事务量份额根本坚持不变，然后确保了移动节点内各事务间的公正性;从图6仿真成果可看出FEDCA算法能进步各类事务的吞吐量，然后进步了无线信道利用率;一起图7的仿真成果标明FEDCA算法能减少数据帧的均匀转发推迟，然后进步了网络的QoS。
图4 无线网络仿真的拓扑结构图
图5 VO、VI吞吐量随时刻改动图
图6 吞吐量与负载联系仿真图
图7 均匀推迟与负载仿真图
4 定论
本文提出的FEDCA算法可以依据网络的公正性要求，经过加权轮询的办法处理移动节点内的不同子行列竞赛信道的问题，改动拥塞窗口的改动办法，进步体系的吞吐量和公正性，经过公正因子调整EDCA算法中的TXOP参数，终究完结进步无线Mesh网络的公正性和改进网络功能的意图。经过仿真剖析可知，FEDCA 算法确保了移动节点间和节点内不同事务的公正性，一起可以进步网络功能和完结对不同事务的差异。
