摘 要: 通過分析IEEE 802.11 DCF的分組發(fā)送過程,分別獲得了RTS和基本方式下分組傳輸?shù)臅r間開銷,,通過對當(dāng)前信道分組發(fā)送的成功概率Ps的預(yù)測,,給出了最優(yōu)RTS門限的計算公式和具體的自適應(yīng)RTS門限調(diào)整算法,,使終端能自動調(diào)整其RTS門限以達到或接近最優(yōu)值。仿真表明自適應(yīng)RTS門限調(diào)整算法有效減小了MAC分組傳送的時間開銷,,提高了信道的傳輸效率,。
關(guān)鍵詞: 無線局域網(wǎng)" title="無線局域網(wǎng)">無線局域網(wǎng) 802.11 DCF RTS門限 分組成功傳送概率 自適應(yīng)RTS門限調(diào)整
1 802.11 DCF工作機制
近年來,隨著無線通信技術(shù)和個人移動通信需求的不斷增長,,無線局域網(wǎng)WLAN(Wireless Local Area Network)作為現(xiàn)有移動通信技術(shù)的重要補充,,受到業(yè)界越來越多的重視。美國電子電機工程師學(xué)會IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)的802.11工作組主要致力于無線局域網(wǎng)的標(biāo)準化問題,。目前已經(jīng)提出了無線局域網(wǎng)的媒體訪問控制層MAC(Media Access Control)和物理層PHY(Physical)規(guī)范,。無線信道的廣播特性,使無線局域網(wǎng)的媒體訪問控制標(biāo)準與有線網(wǎng)有很大區(qū)別,。IEEE 802.11標(biāo)準包括分布式協(xié)調(diào)功能DCF(Distributed Coordination Function)和點協(xié)調(diào)功能PCF(Point Coordination Function)[1],。
在802.11中,DCF是基本的接入方式" title="接入方式">接入方式,,它盡力而為地提供數(shù)據(jù)的異步傳送,。DCF采用載波偵聽多路接入帶沖突避免的二進制指數(shù)隨機回退算法CSMA/CA(Carry Sensing Multiple Access/Collision Avoidance)。與固定網(wǎng)不同,,無線節(jié)點在傳送數(shù)據(jù)時,由于不能同時對信道進行偵聽,,因此不再使用帶沖突檢測CSMA/CD(Collision Detection)的方式訪問信道,。作為DCF的補充,PCF則主要用于提供無沖突的實時業(yè)務(wù),,但由于PCF需要網(wǎng)絡(luò)中存在一個中心接入點,,使得網(wǎng)絡(luò)不再具有分布式的結(jié)構(gòu)。因此本文主要研究具有分布式特點的DCF的性能,。
在DCF中存在兩種接入技術(shù),。缺省采用基本接入方式,其幀時序圖如圖1所示,。源節(jié)點發(fā)送分組后,,只有當(dāng)源節(jié)點正確收到目的節(jié)點返回的確認消息ACK時才標(biāo)志發(fā)送成功。為了減少無線網(wǎng)絡(luò)中的隱藏終端問題,,DCF還提供了一種基于RTS/CTS(Request To Send/Clear To Send)握手的接入方式,,其幀時序圖如圖2所示。在數(shù)據(jù)分組發(fā)送之前,,采用RTS/CTS握手獲得信道使用權(quán),,目的節(jié)點收到數(shù)據(jù)后發(fā)送ACK釋放對信道的占用。由于RTS/CTS消息很短,,減少了沖突概率,,因此RTS/CTS方式在數(shù)據(jù)分組較長的情況下可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的性能,。一個終端可以工作在“混合”模式下,當(dāng)數(shù)據(jù)包長度大于RTS門限時,采用RTS/CTS方式傳送,反之則采用基本方式傳送,。
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已有的文獻大都從飽和吞吐率" title="吞吐率">吞吐率的角度出發(fā),,對802.11DCF的性能進行分析和提高,文獻[4]和[5]假設(shè)碰撞概率恒定獨立,,用解析的方法對802.11 DCF的性能作了定量分析,。文獻[5]分析了基本方式下的網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐率以及它與相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的關(guān)系。而文獻[4]則對DCF的基本方式和RTS/CTS方式分別作了分析,,得到了兩種方式下的飽和吞吐率表達式,,其中給出了一種計算混合方式網(wǎng)絡(luò)吞吐率的方法。然而無線局域網(wǎng)大部分時間工作在非飽和(輕負載)情況下,,因此有必要研究在非飽和以及飽和情況下通用的性能改進算法,。
基于分組單次成功發(fā)送持續(xù)的時間、單次碰撞持續(xù)的時間和當(dāng)前信道的分組成功傳送概率,,本文給出了混合方式下最優(yōu)RTS門限的計算方法,。基于最優(yōu)RTS門限的計算方法提出了一個自適應(yīng)RTS門限調(diào)整算法,以便終端能夠根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境計算當(dāng)前信道的分組成功傳送概率,,從而計算出當(dāng)前分組傳送所需的RTS門限,,以減小分組傳送的時間開銷和提高整個網(wǎng)絡(luò)的信道利用率。
2 自適應(yīng)RTS門限調(diào)整算法
現(xiàn)有DCF中,,無線終端可以選擇RTS/CTS或基本方式進行分組傳送,。RTS門限設(shè)定后,當(dāng)數(shù)據(jù)分組長度小于RTS門限時,,采用基本方式傳送,;當(dāng)分組長度大于RTS門限時,采用RTS方式傳送,,這種方式被稱為混合工作方式,。由于基本方式和RTS方式的傳送機制有所不同,因此兩者所需花費的時間開銷也有差別,。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中分組傳送的成功率很高(沖突很低)時,,即使數(shù)據(jù)分組很長,采用RTS方式所需的時間代價也會高于基本方式(因為傳送RTS/CTS幀會增加時間開銷),;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)分組成功傳送率很低(沖突嚴重)時,,即使較短的分組(分組長度大于RTS/CTS幀,小于設(shè)定的RTS門限),,采用RTS方式也會減小分組傳送的時間開銷,。因此RTS門限值的設(shè)定與當(dāng)前信道的分組成功傳送率(或失敗概率)有關(guān)。在任意確定的分組成功傳輸概率下,對于單純的基本接入方式或RTS/CTS接入方式,,傳輸一個數(shù)據(jù)分組所需要的時間開銷均是關(guān)于數(shù)據(jù)分組長度L的單調(diào)遞增函數(shù),,而且兩個函數(shù)存在一個交點。這就意味著,,對于任意信道競爭強度,,存在一個最優(yōu)的RTS 門限,基于該門限選擇采用基本方式或RTS/CTS方式傳送,,可以使得傳送一個數(shù)據(jù)分組所需時間代價最小?,F(xiàn)有DCF存在的問題是:RTS門限被設(shè)置為常量而不能根據(jù)當(dāng)前信道競爭強度的變化做相應(yīng)調(diào)整,這種固定設(shè)置將會增加分組傳送的時間開銷,。
2.1 分組發(fā)送成功和失敗的時間開銷
無線節(jié)點的能量主要消耗在分組的發(fā)送和接收階段,,尤其是在分組的發(fā)送階段,而在緩存和退避階段消耗的能量很小,。設(shè)單位時間內(nèi)分組傳送和接收消耗的能量為一常量,,則分組傳送所消耗的能量與收發(fā)器的工作時間成正比,因此分組傳送的時間開銷(不包括分組的緩存時間和分組在DCF退避階段所等待的時間)是被關(guān)注的重要參數(shù),。設(shè)R是信道的數(shù)據(jù)速率,,δ是傳播時延,數(shù)據(jù)包載荷長度為L(字節(jié)),,PHY為IEEE 802.11 DCF中的PLCP頭,,共192位,當(dāng)傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率為1Mbps時,,其對應(yīng)的時間為192μs,。根據(jù)IEEE 802.11 DCF中的定義,單個分組傳送成功或失敗的時間開銷T可以表示如下(上標(biāo)rts表示RTS/CTS方式,,上標(biāo)bas表示基本方式,下標(biāo)suc表示成功發(fā)送,,下標(biāo)con表示失敗的發(fā)送):
為了獲得最優(yōu)RTS門限,,接下來將根據(jù)DCF的重傳機制分析一個分組傳送過程需要的傳輸時間開銷。
2.2 混合方式網(wǎng)絡(luò)的最佳RTS門限
設(shè)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)" title="網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)">網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分組單次發(fā)送的成功概率為Ps,,單次發(fā)送失敗的概率為Pc=(1-Ps),,設(shè)分組重傳次數(shù)最大值為M(在基本方式和RTS/CTS方式中,分組重傳次數(shù)的最大值分別被設(shè)定為短幀重傳極限7和長幀重傳極限4),,則分組連續(xù)重傳(失敗)m(0≤m≤M)次后成功傳送的概率為PcmPs,,其對應(yīng)的時間開銷為Tsuc+mTcon,分組連續(xù)M次傳送完全失敗的概率為pcm,,對應(yīng)的時間開銷為MTcon,,則單個數(shù)據(jù)分組傳送總的時間開銷(包括重傳,但不包括回退所花費的時間)的期望值可表示為:
Ms表示RTS/CTS采用的短幀重傳極限,Ml表示基本方式采用的長幀重傳極限,,bas表示基本方式下單個分組傳送的總時間開銷的期望,,rts表示RTS/CTS方式下單個分組傳送的總時間開銷的期望。從而可以分別得到基本方式和RTS方式下單個數(shù)據(jù)分組傳送總的時間開銷的期望值:
由Lopt的表達式可知,,其中的變量只有Ps(注意Pc=1-Ps),,而其他量均為DCF定義的常量,因此接下來的工作就是如何獲取信道的分組成功傳送概率Ps,。
2.3 當(dāng)前信道分組發(fā)送成功概率的估計
為了獲得最佳的RTS門限Lopt,,首先需要估計當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分組單次發(fā)送的成功概率。設(shè)Ci為布爾型變量,,當(dāng)節(jié)點數(shù)據(jù)分組發(fā)送成功時Ci值設(shè)為1,,失敗時設(shè)為0。表示當(dāng)前分組成功發(fā)送概率的預(yù)測值,。設(shè)α為記憶因子,,α∈[0,1],。則當(dāng)前信道分組成功發(fā)送概率的預(yù)測值的遞推公式可表示為:
記憶因子α的取值對當(dāng)前數(shù)據(jù)分組發(fā)送的成功概率和失敗概率的預(yù)測有著重要影響,。當(dāng)α的取值太小時,會造成最近一次數(shù)據(jù)發(fā)送成功或失敗對預(yù)測值的影響過大而使預(yù)測結(jié)果具有較多的偶然性,;當(dāng)α的取值太大時,,會造成所預(yù)測的值不能及時反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的競爭狀況。在本文中α取0.95(也可以采用其他經(jīng)驗值),。
3 仿真分析
仿真采用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET8.1,,其中無線局域網(wǎng)802.11DCF采用的仿真參數(shù)如表1所示。物理層采用DSSS,,信道傳輸速率R為1Mbps,,傳播時延δ為1μs,無線傳輸距離為300m,。
網(wǎng)絡(luò)場景大小為250m×250m的矩形區(qū)域,,節(jié)點數(shù)量為20個,編號分別為1~20,。當(dāng)節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)時,,分組產(chǎn)生時間服從參數(shù)為0.1秒的指數(shù)分布,分組長度服從參數(shù)為1 024B的指數(shù)分布,。仿真時間為10分鐘,,其中節(jié)點1~10始終處于發(fā)送狀態(tài),節(jié)點11~20分別在0~2分鐘,、4~6分鐘和8~10分鐘處于空閑狀態(tài),,在2~4分鐘和6~8分鐘處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài),,以仿真網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)量較低和較高時的各項指標(biāo)。仿真采用基于記憶加權(quán)的預(yù)測算法對分組發(fā)送的成功概率Ps進行預(yù)測,,α取0.95,。
仿真分組傳送的時間開銷RTS方式與自適應(yīng)RTS方式比較如圖3所示,可以看出,,在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小(0~2分鐘,、4~6分鐘和8~10分鐘,即10個節(jié)點發(fā)送)時,,自適應(yīng)RTS方法成功傳送一個數(shù)據(jù)分組所需要的時間開銷明顯低于單純的RTS方法(約為1ms),;在數(shù)據(jù)流量較大(2~4分鐘和6~8分鐘,即20個節(jié)點發(fā)送)的情況下,,自適應(yīng)RTS方法成功傳送一個數(shù)據(jù)分組所需要的時間開銷比單純的RTS方法略低,,說明在分組傳送開銷和節(jié)點節(jié)能方面自適應(yīng)RTS方法優(yōu)于單純的RTS方法?;痉绞脚c自適應(yīng)RTS方式的時間開銷比較如圖4所示,。它表明:在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小的情況下,自適應(yīng)RTS方法成功傳送一個數(shù)據(jù)分組所需要的時間開銷比單純的基本方法略低,;在數(shù)據(jù)流量較大的情況下,,自適應(yīng)RTS方法成功傳送一個數(shù)據(jù)分組所需要的時間開銷明顯低于單純的基本方法(約為1ms)。說明在分組傳送開銷和節(jié)點節(jié)能方面自適應(yīng)RTS方法優(yōu)于單純的基本方法,。
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仿真分組傳輸效率,。定義分組傳輸效率為傳送一個分組所需要的時間開銷(包括重傳分組的時間,但不包括DCF退避時間)與該分組中有效數(shù)據(jù)載荷傳送需要的時間之比,。RTS與自適應(yīng)RTS方式比較如圖5所示,。它表明:在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小(0~2分鐘、4~6分鐘和8~10分鐘,,即10個節(jié)點發(fā)送)時,,自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率明顯高于單純的RTS方法;在數(shù)據(jù)流量較大(2~4分鐘和6~8分鐘,,即20個節(jié)點發(fā)送)時,,自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率與單純的RTS方法基本相當(dāng),說明自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率優(yōu)于單純的RTS方法,。基本方式與自適應(yīng)RTS方式分組傳輸效率比較如圖6所示,。它表明,,在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小的情況下,自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率與單純的基本方法差不多,;在數(shù)據(jù)流量較大的情況下,,自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率略高于單純的基本方法。這說明雖然自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率與單純的基本方法非常接近,但自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率仍然優(yōu)于單純的基本方法,。
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基于分組單次成功發(fā)送持續(xù)的時間,、單次碰撞持續(xù)的時間和當(dāng)前信道分組的成功發(fā)送概率,本文給出了以最小化傳輸時間開銷為目標(biāo)的最優(yōu)RTS門限的計算公式,。通過估計當(dāng)前信道數(shù)據(jù)分組發(fā)送的成功概率Ps實現(xiàn)了最優(yōu)RTS門限的計算,。基于最優(yōu)RTS門限的計算方法設(shè)計出了一個分布式自適應(yīng)RTS門限的調(diào)整算法,。仿真結(jié)果驗證了本文的理論分析和RTS門限調(diào)整算法的正確性,。從分組傳送所需的時間代價和信道的傳輸效率兩個方面來看,自適應(yīng)RTS門限調(diào)整算法明顯優(yōu)于單純的RTS方法或基本方法,,因此本文所介紹的優(yōu)化傳輸時間的自適應(yīng)RTS門限調(diào)整算法能夠有效提高802.11DCF的性能,。
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