關(guān)于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議性能分析的研究

摘要：本文提出了IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)一種新的“常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口/DCF”（DCF/W）MAC協(xié)議。首先提出了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)分析DCF/CCW的吞吐量和訪問(wèn)時(shí)延情況。分析表明，DCF/CCW的性能在不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下存在很大的區(qū)別。通過(guò)進(jìn)一步分析研究說(shuō)明，我們可以很容易獲得一個(gè)已經(jīng)給定的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模所對(duì)應(yīng)的“最優(yōu)常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口”（optimal W），從而最大限度地提高系統(tǒng)的吞吐量。所提供的優(yōu)化機(jī)制“最優(yōu)常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口”（optimal-DCF/W）正是基于這方面的知識(shí)選擇不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)應(yīng)的最優(yōu)常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口。仿真結(jié)果表明，與IEEE802.11 DCF相比，optimal-DCF/W在吞吐量和接入時(shí)延有了明顯的改善。

關(guān)鍵詞：常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口ADhoc

1 介紹

在廣受歡迎的廣泛應(yīng)用WLANs IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)[1]的基礎(chǔ)上，主要的MAC技術(shù)稱之為分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)。DCF是基于多重存取載波監(jiān)聽(tīng)和避碰(CSMA / CA)方案和開(kāi)槽的二進(jìn)制指數(shù)后退(BEB)規(guī)則。自從IEEE802.11協(xié)議問(wèn)世以來(lái)，許多文獻(xiàn)分析了DCF的性能。他們共同的結(jié)論是，雖然DCF簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)的理想方案，但其性能并非最優(yōu)，因?yàn)樗枰啻螄L試找到大致最好的競(jìng)爭(zhēng)窗口，且每當(dāng)傳輸成功后其最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)窗口將被還原到PHY層最小競(jìng)爭(zhēng)窗口。

本文介紹的DCF方案是在假定站點(diǎn)在一個(gè)給定的時(shí)間里不知道任何網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)情況下進(jìn)行的。然而，之前的一些文獻(xiàn)表明一些網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)信息可以通過(guò)監(jiān)測(cè)頻道獲取。其中的一些文獻(xiàn)已經(jīng)開(kāi)始使用這些信息來(lái)優(yōu)化WLANs IEEE802.11的性能。參考文獻(xiàn)[2]根據(jù)收到的網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)選擇競(jìng)爭(zhēng)窗口。參考[3]給出一個(gè)復(fù)雜的自適應(yīng)機(jī)制即通過(guò)給定的節(jié)點(diǎn)擁擠度來(lái)選擇合適的競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小。參考[4]基于傳輸率提供了一個(gè)最佳常數(shù)窗口監(jiān)測(cè)最佳傳輸概率。

在本文中，我們提出了一個(gè)新的MAC協(xié)議即DCF/常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗（DCF/CCW）協(xié)議在IEEE802.11的無(wú)線局域網(wǎng)實(shí)施。DCF/CCW的主旨是直接給出競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)一個(gè)常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口來(lái)成為退避的機(jī)制，故而DCF/CCW沒(méi)有最大競(jìng)爭(zhēng)窗口或最小競(jìng)爭(zhēng)窗口的概念。我們的分析證明，使網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到最大化的最佳常熟競(jìng)爭(zhēng)窗口只與競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量即網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)的終端數(shù)有關(guān)。基于文獻(xiàn)[2-4]的結(jié)論，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一些必要信息可通過(guò)信道監(jiān)測(cè)獲取，用來(lái)幫助我們確定最佳常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口。最佳常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)確定。首先，每個(gè)站監(jiān)控通道，估計(jì)必要的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模信息。其次，基于狀態(tài)估計(jì)的信息，每站直接選擇其最佳常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口。這個(gè)直接選取的最佳CCW不會(huì)直接獲得，“最佳常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口”且不增加網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)沖突，并且網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)沒(méi)有改變的情況下“最佳常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口”的值不做調(diào)整。這就是為什么我們稱之為“常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口”。

2 運(yùn)用OPNET驗(yàn)證optimal-DCF/W性能

為證明optimal-DCF/W優(yōu)化算法的性能，我們運(yùn)用OPNET來(lái)仿真系統(tǒng)驗(yàn)證。仿真系統(tǒng)假設(shè)為一個(gè)覆蓋范圍為100m×100m的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。起始有5個(gè)節(jié)點(diǎn)參與競(jìng)爭(zhēng)，然后每分鐘增加5個(gè)新競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)，到4~5分鐘時(shí)，該系統(tǒng)存在25個(gè)競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)，直到5分鐘時(shí)刻系統(tǒng)仿真結(jié)束(注:該系統(tǒng)不涉及隱藏終端的存在可能)。各節(jié)點(diǎn)均工作在基本接入模式下且處在飽和狀態(tài)，其余參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1為系統(tǒng)飽和吞吐量比較曲線?？梢?jiàn)，系統(tǒng)隨著競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)數(shù)遞增，IEEE802.11的吞吐量急速降低，這是因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)結(jié)點(diǎn)遞增從而致使碰撞概率的增大。但optimal-DCF/W優(yōu)化選擇的常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口卻可明顯減少M(fèi)AC幀之碰撞。所以，即使在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)較大之情況下，optimal-DCF/W優(yōu)化算法中的吞吐量也不會(huì)有顯著減少。優(yōu)化后的系統(tǒng)規(guī)一化飽和吞吐量始終維持在0.86左右。當(dāng)然網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)比較大時(shí)optimal-DCF/W優(yōu)化算法的性能改進(jìn)體現(xiàn)的更為明顯：例在4~5分之間，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到25后優(yōu)化吞吐量比IEEE802.11提高近1/4。

圖2是系統(tǒng)接入時(shí)延性能的比較。即使在optimal-DCF/W優(yōu)化的常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口是以最大化系統(tǒng)吞吐量為目的，從而推導(dǎo)出來(lái)的，然而仍可從圖中明確看出系統(tǒng)接入延時(shí)性能同時(shí)得到明顯加強(qiáng)。究其根本是因優(yōu)化選擇之常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口避免了大量的潛在碰撞，MAC幀碰撞或然率Pc。并且從圖2中還可以得到這以下結(jié)論：即經(jīng)優(yōu)化后之接入延時(shí)抖動(dòng)比起IEEE802.11的接入延時(shí)抖動(dòng)來(lái)的沒(méi)有那么劇烈，這就很大程度上保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模非常大的時(shí)候。

3 總結(jié)

在這份報(bào)告中，我們建議為WLANs IEEE802.11提供最佳常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口（optimal-DCF/W）。以上分析也已經(jīng)證明了此想法的可行性。理論上，只要CCW選擇得合適，不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的吞吐量幾乎是相同的。對(duì)于給定的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模來(lái)說(shuō)，具體CCW大小的影響并不對(duì)接入時(shí)延產(chǎn)生很大影響。所有這些都說(shuō)明了optimal W 的可行，并且optimal CCW可以被用來(lái)改進(jìn)WLANs IEEE802.11的性能。衡量optimal W的方法表明它的值只跟網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相關(guān)，像競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。因此，我們對(duì)于optimal-DCF/W 的優(yōu)化機(jī)制就是直接根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)給站點(diǎn)一個(gè)optimal W 。這個(gè)優(yōu)化機(jī)制已經(jīng)成功解決了DCF中的問(wèn)題：除非連接到一個(gè)合適的最小數(shù)值的窗口，站點(diǎn)則會(huì)遭遇沖撞。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)告訴我們，由于很多潛在沖撞(同前面譯法)被optimal CCW避免，和標(biāo)準(zhǔn)DCF相比，系統(tǒng)的吞吐量和接入時(shí)延由于optimal-DCF/W的選取得到大大改善。

optimal-DCF/W的使用必須獲得網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的信息。因此，今后的研究應(yīng)該關(guān)注如何建立一個(gè)高效精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)機(jī)制。

參考文獻(xiàn)：

[1]Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications，ANSI/IEEE Std 802.11， 1999 Edition (R2003)，2003.(M，書).

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