《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(tīng)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(guò)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(guò)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(guò)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： 

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(shí)分析

    信道接入延時(shí)由退避過(guò)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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