王明超

摘要：為提高IEEE 802.11 DCF的性能，該文在現(xiàn)有協(xié)議的基礎(chǔ)上，該文推導(dǎo)了根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中競(jìng)爭(zhēng)信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)，計(jì)算最小競(jìng)爭(zhēng)窗口的新的最佳值的簡(jiǎn)單公式。并給出了根據(jù)信道競(jìng)爭(zhēng)信道節(jié)點(diǎn)數(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整最小競(jìng)爭(zhēng)窗口的最佳值的自適應(yīng)算法。該文通過(guò)數(shù)據(jù)成功發(fā)送概率和飽和吞吐量等度量來(lái)衡量新協(xié)議的性能，并利用Markov鏈PPT-DCF進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和理論分析，數(shù)學(xué)分析結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模發(fā)生變化時(shí)，新機(jī)制在性能上明顯優(yōu)于IEEE802.11。

關(guān)鍵詞：IEEE802.11；飽和吞吐量；分組丟棄概率；馬爾可夫鏈模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044（2012）30-7210-04

1 概述

隨著傳感、無(wú)線通信、嵌入式系統(tǒng)以及微電子等在無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）中，無(wú)線信道是一種共享和稀缺的資源，有效并且公平地控制無(wú)線節(jié)點(diǎn)的信道接入成為一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。為此，廣大研究者付出了大量的努力，提出了許多種MAC 層協(xié)議。目前，IEEE 802.11 MAC 協(xié)議是WLAN中的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，也幾乎用于所有研究WLAN網(wǎng)絡(luò)性能的測(cè)試床和仿真實(shí)驗(yàn)中。因此本章將詳細(xì)探討802.11 MAC協(xié)議中的信道接入機(jī)制，并使用一個(gè)二維馬爾科夫鏈模型對(duì)該機(jī)制進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，得出了用于分析WLAN網(wǎng)絡(luò)性能的飽和吞吐量，成功發(fā)送概率以及一種新的性能參數(shù)的計(jì)算方法[1]。

2 MAC信道訪問(wèn)機(jī)制的研究現(xiàn)狀

從IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)制定以來(lái)，對(duì)DCF性能的分析改進(jìn)一直是個(gè)研究熱點(diǎn)[3-5]。，許多文獻(xiàn)報(bào)告了對(duì)DCF的性能仿真和理論分析結(jié)果，具體的分析和改進(jìn)方法可以歸納如下：

2.1 直接改進(jìn)DCF的退避機(jī)制

IEEE802.11 使用二進(jìn)制指數(shù)退避算法（BEB，Binary Exponential Backoff），其簡(jiǎn)單高效。但卻不能有效的適應(yīng)復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，許多文獻(xiàn)都做出了大量的研究。

競(jìng)爭(zhēng)窗口慢速減小算法（SD，Slow CW Decrease）[3]：修改了BEB算法在發(fā)送成功后的情況。當(dāng)站點(diǎn)發(fā)送成功后，當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)窗口不是減小為最小競(jìng)爭(zhēng)窗口，而是只將其減為此時(shí)窗口大小的一半。節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，SD算法能一定程度提高系統(tǒng)的飽和吞吐量。

倍數(shù)增加線性減小算法（MILD，Multiplicative Increase Decrease）[4]：此算法修改了BEB算法，當(dāng)發(fā)送失敗時(shí)，并不是作兩倍的增加，而是將當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)窗口值增加為原來(lái)的a倍；當(dāng)發(fā)送成功后也不是直接將當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)窗口值減小為最小競(jìng)爭(zhēng)窗口，而是遞減為一個(gè)固定值b。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，MILD可使競(jìng)爭(zhēng)窗口較為平滑的變動(dòng)，而且其吞吐量?jī)?yōu)于BEB。

2.2 根據(jù)理論模型改進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)

文獻(xiàn)[6]提出了競(jìng)爭(zhēng)窗口調(diào)節(jié)方法，此方法運(yùn)用到了馬爾科夫鏈模型，需要首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)包的站點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行估計(jì)，然后再根據(jù)估計(jì)的結(jié)果來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)各自使用的競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小。

目前的改進(jìn)方案雖然能在一定程度上改進(jìn)IEEE 802.11 MAC協(xié)議的性能，但是在考慮飽和吞吐量的同時(shí)，未改進(jìn)包碰撞概率和站點(diǎn)成功發(fā)送概率等其它重要指標(biāo)。另外改進(jìn)只是針對(duì)某些特定場(chǎng)景，雖在改進(jìn)場(chǎng)景下，系統(tǒng)性能能得到很好改善，但是可能在另一場(chǎng)景下，性能卻大大惡化。

3 IEEE802.11DCF機(jī)制的數(shù)學(xué)模型

為便于分析，這里假設(shè)W0為最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值Wmin，Wmax為最大競(jìng)爭(zhēng)窗口值，i為退避計(jì)數(shù)器的退避階段，m為退避計(jì)數(shù)器的最大退避次數(shù)。節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組時(shí)在任意退避階段的競(jìng)爭(zhēng)窗口值可用公式（1）計(jì)算。

在對(duì)退避算法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模之前，本文先做如下假設(shè)：

1）信道是理想的，即分組丟失只會(huì)是由沖突造成的；

2）網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)一直處于發(fā)送狀態(tài)，并且數(shù)據(jù)分組在傳輸過(guò)程產(chǎn)生沖突的概率恒定且獨(dú)立；

3）系統(tǒng)處于飽和狀態(tài)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在成功進(jìn)行一次分組發(fā)射后，立即監(jiān)聽(tīng)信道，待其退避計(jì)數(shù)器退至0時(shí)馬上發(fā)送下一分組。

從公式（7）可知：τ的取值由沖突概率p決定，要獲得τ就必須先求出沖突概率p。p表示節(jié)點(diǎn)在發(fā)送分組時(shí)產(chǎn)生沖突的概率。在本模型中，分組發(fā)生沖突只會(huì)是剩余的n-1個(gè)節(jié)點(diǎn)中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)也在同一時(shí)隙內(nèi)發(fā)送了分組。因此，可以有以下結(jié)論：

4 飽和吞吐量分析

飽和吞吐量定義為無(wú)線局域網(wǎng)在穩(wěn)定狀態(tài)下所能獲得的最大吞吐量。在802.11無(wú)線局域網(wǎng)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載還比較小的時(shí)候，增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的同時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐量也隨之上升，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到一定程度時(shí)，繼續(xù)增大網(wǎng)絡(luò)負(fù)載反而會(huì)導(dǎo)致吞吐量的下降。在增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的過(guò)程中，系統(tǒng)吞吐量的上限就稱(chēng)為飽和吞吐量，而歸一化飽和吞吐量定義為飽和吞吐量和信道帶寬的比值，也代表局域網(wǎng)所能獲得的最大信道利用率。歸一化飽和吞吐量反映了媒體訪問(wèn)控制機(jī)制的效率，因此可以得出：

2）飽和吞吐量和成功發(fā)送概率的分析

由為了更好的提升DCF的性能，文獻(xiàn)[13]提出了一種新的性能參數(shù)PPT（Product Of Successful Transmission Probability And Saturation Throughput），也就是飽和吞吐量和成功發(fā)送概率的乘積，其計(jì)算公式如下所示：

5 IEEE802.11協(xié)議性能分析與評(píng)價(jià)

5.1 實(shí)驗(yàn)的模擬環(huán)境

為驗(yàn)證本文IEEE802.11協(xié)議機(jī)制的有效性，我們采用數(shù)學(xué)分析的方法對(duì)該協(xié)議進(jìn)行性能仿真比較。

本文在一個(gè)單跳的星型網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景并且節(jié)點(diǎn)處于一個(gè)能夠相互監(jiān)聽(tīng)的信道區(qū)域內(nèi)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。假設(shè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)從10遞增至100，我們用Matlab數(shù)學(xué)分析所采用的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，我們假設(shè)MAC層上面發(fā)送的數(shù)據(jù)分組大小是恒定的，無(wú)線信道的傳輸速率大小為1Mbps。在本次實(shí)驗(yàn)中最后所計(jì)算出的飽和吞吐量（s），分組丟棄概率（p）都是利用IEEE802.11基本模型中的相關(guān)公式和實(shí)驗(yàn)所使用的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得出的。

圖3給出了IEEE802.11機(jī)制和新機(jī)制在不同站點(diǎn)數(shù)目下的飽和吞吐量的變化曲線。從圖中可以看出新機(jī)制在每一站點(diǎn)的飽和吞吐量都始終高于IEEE802.11算法。并且隨著站點(diǎn)數(shù)的增加，兩種機(jī)制的飽和吞吐量表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著站點(diǎn)數(shù)目的增加，站點(diǎn)間發(fā)送數(shù)據(jù)包發(fā)生的碰撞明顯增加，所以導(dǎo)致了飽和吞吐量的下降。但是新算法的下降幅度明顯比IEEE802.11算法平緩，這是因?yàn)樾滤惴ǔ晒尤肓税l(fā)送數(shù)據(jù)包成功后的一段退避時(shí)間，減少了碰撞，因此能很好的提升了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

圖4給出了新機(jī)制和IEEE802.11機(jī)制在站點(diǎn)數(shù)從10遞增到100的情況下，站點(diǎn)分組丟棄概率的變化曲線。從圖中可以看出新機(jī)制在每一站點(diǎn)的分組丟棄概率始終低于IEEE802.11機(jī)制。隨著站點(diǎn)數(shù)的增加，新機(jī)制和IEEE802.11機(jī)制的分組丟棄概率逐漸上升，這是因?yàn)殡S著站點(diǎn)數(shù)目的增加，站點(diǎn)間發(fā)送數(shù)據(jù)包發(fā)生的碰撞明顯增加。總體而言，本文提出的方法可以增大系統(tǒng)的整體，對(duì)提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體性能起到了很好的作用。

6 結(jié)束語(yǔ)

在前人研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)原來(lái)IEEE802.11機(jī)制在考慮飽和吞吐量的同時(shí)，未改進(jìn)包碰撞概率和站點(diǎn)成功發(fā)送概率等其它重要指標(biāo)，本文在原來(lái)研究的基礎(chǔ)上提出一種新的參數(shù)機(jī)制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模發(fā)生變化時(shí)，新機(jī)制在各項(xiàng)性能指標(biāo)上要明顯優(yōu)于IEEE 802.11機(jī)制。

我們下一步的工作將繼續(xù)深入探討在中如何提高在負(fù)載下無(wú)線局域網(wǎng)的綜合性能。

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