《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于最佳競(jìng)爭(zhēng)窗口的IEEE802.11DCF 接入?yún)f(xié)議改進(jìn)及性能分析
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
何 燕1,2,, 張紅梅1,, 張向利1,, 朱常其3
1. 桂林電子科技大學(xué), 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
摘要: 針對(duì)DCF協(xié)議的初始競(jìng)爭(zhēng)窗口不能隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)變化選擇其最佳值的不足,,提出一個(gè)具有兩級(jí)退避的接入?yún)f(xié)議(OCW-DCF),,并用Markov模型分析了協(xié)議性能,確定其最佳競(jìng)爭(zhēng)窗口值,。仿真結(jié)果表明, OCW-DCF 協(xié)議能有效減小信道接入延時(shí),且采用基本接入模式的總體性能比RTS/CTS接入模式的好,。
中圖分類號(hào): TN925.93
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)09-0092-03
Improvement and performance analysis of IEEE 802.11 DCF with optimal contention window
He Yan1,,2,Zhang Hongmei1,,Zhang Xiangli1,,Zhu Changqi3
1. Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China;2.Guangdong AnJuBao Digital Technology Co.,,Ltd.,,Guangzhou 310530,,China;3. Aerors Inc. Xi′an 710100, China
Abstract: As the initial contention window could not derive its optimal value based on the network scale, a new medium access protocol with two-backoff stage named OCW-DCF is proposed. Its performance is analyzed with a two-dimensional Markov model. Simulation results show that OCW-DCF could effectively reduce the average channel access delay. The performance of OCW-DCF using basic access method is better than that of using RTS/CTS access method.
Key words : IEEE802.11DCF; medium access protocol; Markov model; performance analysis

    DCF是IEEE802.11MAC中每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)接入沖突避免(CSMA/CA)機(jī)制及二進(jìn)制指數(shù)退避(BEB)算法,。

    當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí),首先檢測(cè)信道,,如果信道空閑時(shí)間大于或等于DIFS,,則節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù);否則節(jié)點(diǎn)推遲數(shù)據(jù)發(fā)送,,執(zhí)行二進(jìn)制指數(shù)退避:每當(dāng)信道競(jìng)爭(zhēng)成功,,節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口重置為最小值,每次沖突競(jìng)爭(zhēng)窗口值加倍,,即:

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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(jìng)爭(zhēng)窗口和最大競(jìng)爭(zhēng)窗口,。競(jìng)爭(zhēng)窗口的初始值為CWmin。

    針對(duì)BEB退避機(jī)制中的初始競(jìng)爭(zhēng)窗口不能隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)變化選擇其最佳值,,目前很多的研究都致力于對(duì)DCF的性能的研究和優(yōu)化[1-5],。其中參考文獻(xiàn)[3-5]基于Markov模型[6-7]為不同規(guī)模網(wǎng)絡(luò)確定其最佳競(jìng)爭(zhēng)窗口,但對(duì)于節(jié)點(diǎn)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(gè)具有不同退避過程的兩級(jí)退避的接入?yún)f(xié)議(OCW-DCF),并運(yùn)用Markov模型對(duì)OCW-DCF 協(xié)議的性能進(jìn)行了分析。

1 Markov模型描述

    OCW-DCF協(xié)議的退避機(jī)制具有一種競(jìng)爭(zhēng)窗口和兩級(jí)不同的退避過程:快速退避(計(jì)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(luò)數(shù)據(jù)傳輸情況的概率pc,。

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    圖1中Markov模型的一步轉(zhuǎn)移概率為:

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    聯(lián)合式(3),、式(4),得一個(gè)隨機(jī)時(shí)隙網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)可能發(fā)送數(shù)據(jù)的概率:

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    假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有n個(gè)節(jié)點(diǎn),,則任意時(shí)隙節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到信道為忙的概率:

    tx2-gs6-9.gif

    聯(lián)立式(5),、式(6)、式(9),,當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為n,、競(jìng)爭(zhēng)窗口W已知時(shí),可求得τ的數(shù)值解,。

2 Markov模型分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)歸一化吞吐量分析

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

    tx2-gs10.gif

其中,,Ta為有效MAC數(shù)據(jù)幀的平均傳輸時(shí)間。一個(gè)時(shí)隙的實(shí)際平均長(zhǎng)度由3部分組成:空閑的系統(tǒng)時(shí)隙?滓;由于成功數(shù)據(jù)傳輸而導(dǎo)致信道忙的平均時(shí)間Ts,;由于傳輸數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突而導(dǎo)致信道忙的平均時(shí)間Tc,。

    設(shè)PHY=PHY_hdr,Ta=MAC_hdr+MAC_data, δ為傳輸延時(shí), 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: 

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    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(shí)分析

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

    tx2-gs13.gif

其中空閑系統(tǒng)時(shí)隙σ由物理特性決定,因數(shù)據(jù)成功傳輸而檢測(cè)到信道忙的概率tx2-gs14.gif因數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生沖突而檢測(cè)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(shí),,節(jié)點(diǎn)不退避:D-1=0,;

    快速退避階段,計(jì)數(shù)器的值不凍結(jié):

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

2.3 最佳競(jìng)爭(zhēng)窗口分析

    由式(10)中S的表達(dá)式進(jìn)一步得:

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3 仿真分析

    假設(shè)所有MAC幀都具有固定長(zhǎng)度,,模型的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

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    圖2~圖5分別為不同規(guī)模網(wǎng)絡(luò)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,。

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    由圖2所示, OCW-DCF協(xié)議能達(dá)到的最大吞吐量比參考文獻(xiàn)[3]中m=2時(shí)的兩級(jí)退避下的高,,而與DCF/CCW的相同,。由圖2和圖3對(duì)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(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DCF/CCW協(xié)議的,。從圖4和圖5的對(duì)比結(jié)果,,OCW-DCF采用基本接入模式的最小延時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RTS/CTS的。

    OCW-DCF協(xié)議具有非常小的信道平均接入延時(shí),,且能根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸情況確定其最佳競(jìng)爭(zhēng)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。

參考文獻(xiàn)

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