基于最佳競爭窗口的IEEE802.11DCF接入協議改進及性能分析*

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)機制及二進制指數退避(BEB)算法。

當節點有數據需要發送時，首先檢測信道，如果信道空閑時間大于或等于DIFS，則節點發送數據；否則節點推遲數據發送，執行二進制指數退避：每當信道競爭成功，節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；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點數變化選擇其最佳值，目前很多的研究都致力于對DCF的性能的研究和優化[1-5]。其中參考文獻[3-5]基于Markov模型[6-7]為不同規模網絡確定其最佳競爭窗口，但對于節點中所有數據(第一次退避數據或者沖突重傳的數據)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議(OCW-DCF),并運用Markov模型對OCW-DCF協議的性能進行了分析。

1 Markov模型描述

OCW-DCF協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。除具有凍結狀態及信道忙閑概率外，模型還引入了退避判斷狀態(-1,0)和反映網絡數據傳輸情況的概率pc。

圖1 OCW-DCF Markov模型

圖1中Markov模型的一步轉移概率為：

聯合式(3)、式(4)，得一個隨機時隙網絡中任一節點可能發送數據的概率：

假設網絡中有n個節點，則任意時隙節點檢測到信道為忙的概率：

至少有一個節點在發送數據的概率：

數據不產生沖突的概率：

發送數據可能產生沖突的概率：

聯立式(5)、式(6)、式(9)，當節點數為 n、競爭窗口 W已知時，可求得τ的數值解。

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數據幀的時間占總傳輸時間的比值：

其中，Ta為有效MAC數據幀的平均傳輸時間。一個時隙的實際平均長度由3部分組成：空閑的系統時隙σ；由于成功數據傳輸而導致信道忙的平均時間Ts；由于傳輸數據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 IEEE802.11協議規范[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器的值遞減及凍結所需時間組成：

其中空閑系統時隙σ由物理特性決定，因數據成功傳輸而檢測到信道忙的概率，因數據傳輸產生沖突而檢測到信道忙的概率pb,c=pb-pb,s。

根據圖1的Markov模型，狀態(-1，0)時，節點不退避：D-1=0；

快速退避階段，計數器的值不凍結：

表1 仿真參數設置

正常退避階段，延時由計數器遞減延時和凍結兩部分組成：

因此平均信道接入延時：

當 n及 W 確定，聯合式(14)、式(15)、式(16)可求得不同網絡規模下的D的數值解。

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，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，模型的仿真參數設置如表1所示。

圖2～圖5分別為不同規模網絡下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。

圖2 OCW-DCF采用基本接入模式的S與W的關系

圖3 OCW-DCF采用RTS/CTS接入模式的S與W的關系

圖4 OCW-DCF采用基本接入模式的D與W的關系

圖5 OCW-DCF采用RTS/CS接入模式的D與W的關系

由圖2所示，OCW-DCF協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協議的最小平均信道接入延時遠遠小于DCF/CCW協議的。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協議具有非常小的信道平均接入延時，且能根據不同的網絡規模及網絡數據傳輸情況確定其最佳競爭窗口。OCW-DCF協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].電子技術應用，2010,36(10):92-94.

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

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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.