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基于最佳競爭窗口的IEEE802.11DCF 接入協(xié)議改進及性能分析
2014年電子技術應用第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, 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DCF協(xié)議的初始競爭窗口不能隨著節(jié)點數(shù)變化選擇其最佳值的不足,，提出一個具有兩級退避的接入協(xié)議(OCW-DCF)，并用Markov模型分析了協(xié)議性能,確定其最佳競爭窗口值,。仿真結果表明,， OCW-DCF 協(xié)議能有效減小信道接入延時,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: TN925.93
文獻標識碼: A
文章編號： 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中每個節(jié)點都必須具有的最基本的接入方式,，其主要技術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：

tx2-gs1.gif

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協(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)和正常退避,。其Markov模型如圖1所示,。除具有凍結狀態(tài)及信道忙閑概率外,，模型還引入了退避判斷狀態(tài)(-1,0)和反映網絡數(shù)據(jù)傳輸情況的概率pc。

tx2-t1.gif

    圖1中Markov模型的一步轉移概率為：

tx2-gs2-4.gif

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

    tx2-gs5.gif

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

    tx2-gs6-9.gif

    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：

    tx2-gs10.gif

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?滓；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： 

tx2-gs11-12.gif

    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)器的值遞減及凍結所需時間組成：

    tx2-gs13.gif

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tx2-gs14.gif因數(shù)據(jù)傳輸產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：

tx2-gs14-16.gif

    當n及W確定,，聯(lián)合式(14),、式(15)、式(16)可求得不同網絡規(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：

tx2-gs17-18.gif

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。

tx2-b1.gif

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

tx2-t2.gif


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    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)不同的網絡規(guī)模及網絡數(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,。

參考文獻

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

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