基于最佳競爭窗口的IEEE802.11DCF接入?yún)f(xié)議改進及性能分析*

何 燕 ， 張紅梅 ， 張向利 ， 朱常其

(1.桂林電子科技大學,廣西 桂林 541004；2.廣東安居寶數(shù)碼科技股份有限公司，廣東 廣州 310530；3.航天天繪科技有限公司西安分公司,陜西 西安 710100)

DCF是IEEE802.11MAC中每個節(jié)點都必須具有的最基本的接入方式，其主要技術(shù)是載波偵聽多點接入沖突避免(CSMA/CA)機制及二進制指數(shù)退避(BEB)算法。

當節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先檢測信道，如果信道空閑時間大于或等于DIFS，則節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；否則節(jié)點推遲數(shù)據(jù)發(fā)送，執(zhí)行二進制指數(shù)退避：每當信道競爭成功，節(jié)點的競爭窗口重置為最小值，每次沖突競爭窗口值加倍，即：

其中，m為最大退避階數(shù)；CWmin和 CWmax由物理層特征決定，分別稱為最小競爭窗口和最大競爭窗口。競爭窗口的初始值為CWmin。

針對BEB退避機制中的初始競爭窗口不能隨著節(jié)點數(shù)變化選擇其最佳值，目前很多的研究都致力于對DCF的性能的研究和優(yōu)化[1-5]。其中參考文獻[3-5]基于Markov模型[6-7]為不同規(guī)模網(wǎng)絡確定其最佳競爭窗口，但對于節(jié)點中所有數(shù)據(jù)(第一次退避數(shù)據(jù)或者沖突重傳的數(shù)據(jù))退避處理的過程都是完全一樣的。因此，本文提出了一個具有不同退避過程的兩級退避的接入?yún)f(xié)議(OCW-DCF),并運用Markov模型對OCW-DCF協(xié)議的性能進行了分析。

1 Markov模型描述

OCW-DCF協(xié)議的退避機制具有一種競爭窗口和兩級不同的退避過程：快速退避(計數(shù)器不凍結(jié))和正常退避。其Markov模型如圖1所示。除具有凍結(jié)狀態(tài)及信道忙閑概率外，模型還引入了退避判斷狀態(tài)(-1,0)和反映網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸情況的概率pc。

圖1 OCW-DCF Markov模型

圖1中Markov模型的一步轉(zhuǎn)移概率為：

聯(lián)合式(3)、式(4)，得一個隨機時隙網(wǎng)絡中任一節(jié)點可能發(fā)送數(shù)據(jù)的概率：

假設網(wǎng)絡中有n個節(jié)點，則任意時隙節(jié)點檢測到信道為忙的概率：

至少有一個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)的概率：

數(shù)據(jù)不產(chǎn)生沖突的概率：

發(fā)送數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生沖突的概率：

聯(lián)立式(5)、式(6)、式(9)，當節(jié)點數(shù)為 n、競爭窗口 W已知時，可求得τ的數(shù)值解。

2 Markov模型分析

2.1 網(wǎng)絡歸一化吞吐量分析

設歸一化吞吐量S為信道成功傳輸MAC數(shù)據(jù)幀的時間占總傳輸時間的比值：

其中，Ta為有效MAC數(shù)據(jù)幀的平均傳輸時間。一個時隙的實際平均長度由3部分組成：空閑的系統(tǒng)時隙σ；由于成功數(shù)據(jù)傳輸而導致信道忙的平均時間Ts；由于傳輸數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突而導致信道忙的平均時間Tc。

設 PHY=PHY_hdr,Ta=MAC_hdr+MAC_data,δ為傳輸延時，DCF有兩種信道接入模式：基本接入模式和RTS/CTS接入模式，根據(jù) IEEE802.11協(xié)議規(guī)范[8]，其 Ts和 Tc分別為：

(1)基本接入模式：

(2)RTS/CTS接入模式：

由式(10)、(11)、(12)可得基本接入模式和RTS/CTS接入模式的S的數(shù)值解。

2.2 信道接入延時分析

信道接入延時由退避過程中退避計數(shù)器的值遞減及凍結(jié)所需時間組成：

其中空閑系統(tǒng)時隙σ由物理特性決定，因數(shù)據(jù)成功傳輸而檢測到信道忙的概率，因數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生沖突而檢測到信道忙的概率pb,c=pb-pb,s。

根據(jù)圖1的Markov模型，狀態(tài)(-1，0)時，節(jié)點不退避：D-1=0；

快速退避階段，計數(shù)器的值不凍結(jié)：

表1 仿真參數(shù)設置

正常退避階段，延時由計數(shù)器遞減延時和凍結(jié)兩部分組成：

因此平均信道接入延時：

當 n及 W 確定，聯(lián)合式(14)、式(15)、式(16)可求得不同網(wǎng)絡規(guī)模下的D的數(shù)值解。

2.3 最佳競爭窗口分析

由式(10)中S的表達式進一步得：

由于 Ts、Tc、Ta和σ都是常數(shù)，則當：

最大時，式(17)中的S達到最大。

3 仿真分析

假設所有MAC幀都具有固定長度，模型的仿真參數(shù)設置如表1所示。

圖2～圖5分別為不同規(guī)模網(wǎng)絡下OCW-DCF采用基本接入模式和RTS/CTS的S與W以及D與W的關(guān)系。

圖2 OCW-DCF采用基本接入模式的S與W的關(guān)系

圖3 OCW-DCF采用RTS/CTS接入模式的S與W的關(guān)系

圖4 OCW-DCF采用基本接入模式的D與W的關(guān)系

圖5 OCW-DCF采用RTS/CS接入模式的D與W的關(guān)系

由圖2所示，OCW-DCF協(xié)議能達到的最大吞吐量比參考文獻[3]中m=2時的兩級退避下的高，而與DCF/CCW的相同。由圖2和圖3對比結(jié)果知，OCW-DCF采用基本模式的最大歸一化吞吐量比RTS/CTS的大。

由圖4所示，基本接入模式下，OCW-DCF協(xié)議的最小平均信道接入延時遠遠小于DCF/CCW協(xié)議的。從圖4和圖5的對比結(jié)果，OCW-DCF采用基本接入模式的最小延時遠遠小于RTS/CTS的。

OCW-DCF協(xié)議具有非常小的信道平均接入延時，且能根據(jù)不同的網(wǎng)絡規(guī)模及網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸情況確定其最佳競爭窗口。OCW-DCF協(xié)議采用基本接入模式的總體性能比RTS/CTS模式的好。

[1]裴冬冬,王興華,向新.IEEE802.11 DCF退避機制公平性分析與改進[J].電子技術(shù)應用，2010,36(10):92-94.

[2]張鋒,向新,楊寶強,等.基于 IEEE802.11 DCF的優(yōu)化競爭窗口算法[J].電子技術(shù)應用，2011,37(7)：111-114.

[3]WANG R,ZHANG J,ZOU X.Performance analysis and optimization of IEEE 802.11 DCF with constant contention window[C].ISECS International Colloquium on Computing,Communication,Control,and Management,CCCM,Aug.2008.

[4]Weng Chien-Erh,Chen Chunyin,Chen Chiung-Hsing,et al.Optimal performance study of IEEE 802.11 DCF with contention window[C].International Conference on Broadband and Wireless Computing,Communication and Applications，bwcca,2011:505-508.

[5]Weng Chien-Erh,Chen Chunyin.Performance study of IEEE 802.11 DCF with optimal contention window[C].Sixth International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing,2012:481-484.

[6]BIANCHI G.IEEE 802.11 saturation throughput analysis[J].IEEE Communications Letters，1998,13(3):535-547.

[7]VARDAKAS J S,POULOS M K,LOGOTHETIS M D.Performance behaviour of IEEE 802.11 distributed coordination function[J].Circuits,Devices&Systems,IET，2008(2):50-59.

[8]MATTBEW S G.802.11無線網(wǎng)絡權(quán)威指南[M].第 2版.南京：東南大學出版社,2007.