彭春華,徐湘淄

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)沙410075)

虛擬空閑時(shí)間對(duì)非飽和狀態(tài)DCF性能的影響

彭春華,徐湘淄

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)沙410075)

研究非飽和狀態(tài)下分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)協(xié)議的性能,針對(duì)非飽和狀態(tài)下的無(wú)線局域網(wǎng),引入虛擬空閑時(shí)間定量描述系統(tǒng)的忙碌程度,對(duì)二維馬爾科夫鏈模型進(jìn)行改進(jìn)。在理想信道條件下,使用基本接入方式,利用改進(jìn)模型研究虛擬空閑時(shí)間及站點(diǎn)數(shù)對(duì)DCF性能(系統(tǒng)吞吐量和分組傳輸平均時(shí)延)的影響。理論推導(dǎo)及仿真結(jié)果表明,在不同的虛擬空閑時(shí)間下,隨著站點(diǎn)數(shù)的增加,系統(tǒng)非飽和吞吐量為先快速上升后緩慢下降的過(guò)程,分組傳輸時(shí)延則是平穩(wěn)上升的過(guò)程,與選取的對(duì)比模型相比,吞吐量在站點(diǎn)數(shù)目較小時(shí)有明顯改善,時(shí)延性能有較大提高。

無(wú)線局域網(wǎng);馬爾科夫鏈;分布式協(xié)調(diào)功能;虛擬空閑時(shí)間;吞吐量;時(shí)延

1 概述

在應(yīng)用日益廣泛的IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)中, MAC子層主要采用分布式協(xié)調(diào)功能(Distributed Coordination Function,DCF)機(jī)制[1]。DCF機(jī)制是一種基于具有沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA/ CA)的隨機(jī)訪問(wèn)機(jī)制,節(jié)點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)獲得信道的使用權(quán),并在發(fā)生碰撞后采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法避免再次碰撞。

從IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)制定以來(lái),對(duì)DCF性能的分析、建模、改進(jìn)一直是研究熱點(diǎn)。針對(duì)其工作在飽和狀態(tài)的特點(diǎn),許多研究者都給出了較為精確的數(shù)學(xué)模型,其中最經(jīng)典的成果是文獻(xiàn)[2]提出的一種二維Markov鏈模型。該模型求出以沖突概率τ和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目n作為自變量的吞吐量表達(dá)式。文獻(xiàn)[3]針對(duì)DCF協(xié)議提出了一種對(duì)AP和STA的退避算法進(jìn)行改進(jìn),提高了AP搶占信道的優(yōu)先級(jí),從而提高無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network, WLAN)吞吐量的方案。文獻(xiàn)[4-6]引入了“虛擬時(shí)隙”概念來(lái)研究DCF協(xié)議性能的影響。文獻(xiàn)[7]針對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中的不同QoS需要,提出一種基于數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)的DCF(PMDCF)模型。文獻(xiàn)[8]對(duì)比分析分析了3種主要DCF性能的優(yōu)劣。文獻(xiàn)[9]提出了一種將 Markov鏈與排隊(duì)論結(jié)合的模型。文獻(xiàn)[10]提出了一種不飽和傳輸條件下的錯(cuò)誤重傳,而不是競(jìng)爭(zhēng)窗口加倍從相同的競(jìng)爭(zhēng)窗口退避計(jì)數(shù)器選擇一個(gè)計(jì)數(shù)器值的Markov模型。文獻(xiàn)[11]建立排隊(duì)論模型來(lái)評(píng)估非飽和DCF性能。文獻(xiàn)[12]建立的模型,將吞吐量、時(shí)延、丟包率三者作為評(píng)估指標(biāo)來(lái)評(píng)估DCF性能。文獻(xiàn)[13-14]中對(duì)DCF的信道做了詳細(xì)的介紹。文獻(xiàn)[15]是較早研究非飽和狀態(tài)DCF的提出的模型,但此模型沒(méi)有考慮退避凍結(jié)這種狀況。

本文考慮到實(shí)際應(yīng)用中非飽和業(yè)務(wù)量的情況,由文獻(xiàn)[4-6]虛擬時(shí)隙這一概念,引出“虛擬空閑時(shí)間”這一概念描述非飽和狀態(tài)下WLAN系統(tǒng)的忙碌程度,并進(jìn)一步探究“虛擬空閑時(shí)間”對(duì)DCF協(xié)議性能的影響。改進(jìn)文獻(xiàn)[2]提出的二維 Markov模型[2],并推導(dǎo)系統(tǒng)的歸一化吞吐量S以及分組傳輸時(shí)延D的表達(dá)式。

2 二維Markov鏈模型

在本文提出的二維Markov鏈模型中,為了簡(jiǎn)便分析,給出以下4條基本假設(shè)[3]:

(1)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)相同,互相之間優(yōu)先級(jí)、傳輸與偵聽(tīng)范圍均是相同的,節(jié)點(diǎn)總數(shù)量不變、始終未為n;

(2)信道是理想的,也即是信道誤碼率為0;

(3)不考慮實(shí)際情況中出現(xiàn)的“隱蔽終端”和“暴露終端”等問(wèn)題;

(4)節(jié)點(diǎn)按照泊松過(guò)程接收來(lái)自上層的數(shù)據(jù)分組達(dá)到率為λ。

另外在考慮非飽和網(wǎng)絡(luò)時(shí)引入“虛擬空閑時(shí)間”(Virtual Idle Time,VIT)[4-6],定義為:站點(diǎn)從上一次成功發(fā)送數(shù)據(jù)分組到下一次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)分組之間需要等待的時(shí)間。在討論一個(gè)非飽和狀態(tài)下的WLAN時(shí),由于站點(diǎn)不是每時(shí)每刻都有數(shù)據(jù)分組需要發(fā)送,因此站點(diǎn)在兩次發(fā)送數(shù)據(jù)分組之間需要等待一段“虛擬空閑時(shí)間”。該“時(shí)間”也是對(duì)非飽和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)繁忙程度的一個(gè)描述,并可以進(jìn)一步影響到傳輸分組沖突的概率和信道的利用程度。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)分組由于成功發(fā)送或者到達(dá)重發(fā)次數(shù)限制而被移出緩沖區(qū),并且發(fā)送隊(duì)列為空時(shí),節(jié)點(diǎn)進(jìn)入“虛擬空閑時(shí)間”。

IEEE802.11 DCF有2種工作模式:基本工作接入方式和RTS/CTS工作接入方式。2種方式的退避過(guò)程基本相同,其最大的區(qū)別在于后者發(fā)送數(shù)據(jù)之前用RTS幀和CTS幀預(yù)約信道。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn),本文采用基本工作模式。

本文提出的Markov改進(jìn)模型定義一個(gè)主機(jī)在t時(shí)刻以m為最大退避級(jí)數(shù)的隨機(jī)過(guò)程。設(shè)x(t)是某個(gè)特定站點(diǎn)退避時(shí)間的隨機(jī)過(guò)程,t代表一個(gè)時(shí)隙(slot)的起始時(shí)刻,退避計(jì)數(shù)器在每個(gè)時(shí)隙的起始時(shí)刻減1。Markov改進(jìn)模型是一個(gè)二維隨機(jī)過(guò)程{s(t),b(t)},其中,s(t)代表t時(shí)刻該節(jié)點(diǎn)所處的退避階數(shù)i;b(t)代表t時(shí)刻節(jié)退避計(jì)數(shù)器的值k[7]。為了計(jì)算過(guò)程的清晰,定義:

可以推導(dǎo)出:

又記:

其中,W0表示初始競(jìng)爭(zhēng)窗口大小;CWmin表示最小競(jìng)爭(zhēng)窗口;CWmax表示最大競(jìng)爭(zhēng)窗口;m表示最大退避階數(shù)同時(shí)也是最大后退級(jí)數(shù),即二進(jìn)制退避算法中從最小競(jìng)爭(zhēng)窗口CWmin到最大競(jìng)爭(zhēng)窗口CWmax的增長(zhǎng)指數(shù);Wi表示當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)窗口大小,i∈[0,m],稱為退避級(jí)數(shù)[8]。

在本文提出的Markov改進(jìn)模型中,有一個(gè)很重要的假設(shè):每個(gè)不同的站點(diǎn)在每一次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí),發(fā)生碰撞的概率為p且相互獨(dú)立。該假設(shè)在站點(diǎn)數(shù)目龐大的時(shí)候是合理的,這是因?yàn)槊總€(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程是互不相關(guān),相互獨(dú)立的。此外,由4條基本假設(shè)可以推導(dǎo)出,節(jié)點(diǎn)發(fā)送失敗,僅由發(fā)生碰撞引起,即節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組失敗的概率為p。

基于以上假設(shè),可以構(gòu)建改進(jìn)的二維隨機(jī)過(guò)程{s(t),b(t)},這是一個(gè)離散事件的 Markov鏈,如圖1所示。對(duì)圖中符號(hào)的說(shuō)明如下:(1)p0定義為節(jié)點(diǎn)進(jìn)入“虛擬空閑時(shí)間”的概率,則當(dāng)一個(gè)分組移出發(fā)送緩沖區(qū)時(shí)隊(duì)列不為空,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一輪二進(jìn)制指數(shù)退避工程的概率為 1-p0; (2)q定義為節(jié)點(diǎn)停留在“虛擬空閑時(shí)間”狀態(tài)的概率;(3)ptr為發(fā)生沖突碰撞的概率或者說(shuō)是至少有一個(gè)站點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)分組的概率,則1-ptr為數(shù)據(jù)包被成功發(fā)送的概率。

圖1 改進(jìn)的Markov鏈模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

單步轉(zhuǎn)移概率如式(4)所示:

式(4)中的轉(zhuǎn)移概率包括以下9個(gè)方面:

(1)一次成功發(fā)送后,又有新的數(shù)據(jù)等待發(fā)送,這時(shí)需要啟動(dòng)新的退避過(guò)程,退避時(shí)間被設(shè)置為[0,W0-1]內(nèi)的隨機(jī)整數(shù),開(kāi)始新的退避過(guò)程[9];

(2)一次成功發(fā)送后,沒(méi)有新的數(shù)據(jù)分組等待發(fā)送,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入“虛擬空閑時(shí)間”;

(3)第i次退避過(guò)程結(jié)束,且發(fā)送失敗,開(kāi)始新的退避過(guò)程,退避時(shí)間被設(shè)置為[0,W0-1]內(nèi)的隨機(jī)整數(shù);

(4)退避過(guò)程中偵聽(tīng)到載波沖突,進(jìn)入退避凍結(jié)狀態(tài);

(5)當(dāng)偵聽(tīng)到信道為空閑時(shí),在空閑時(shí)隙開(kāi)始,退避時(shí)間計(jì)數(shù)器減1;

(6)當(dāng)達(dá)到最大重傳次數(shù)限制時(shí),丟掉當(dāng)前的數(shù)據(jù)分組,CW被重置為CWmin大小,并為新的數(shù)據(jù)分組啟動(dòng)退避過(guò)程;

(7)當(dāng)達(dá)到最大重傳次數(shù)限制時(shí),沒(méi)有數(shù)據(jù)分組要傳送,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入“虛擬空閑時(shí)間”;

(8)節(jié)點(diǎn)處于虛擬空閑時(shí)間時(shí),收到上層數(shù)據(jù)分組消息,啟動(dòng)新的退避過(guò)程;

(9)節(jié)點(diǎn)停留在“虛擬空閑時(shí)間”。

進(jìn)一步推導(dǎo)可得:

在退避級(jí)數(shù)i不為0,即節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)分組不可能在來(lái)自“虛擬空閑時(shí)間”的情況下,結(jié)合圖1和式(4)可得:

在退避級(jí)數(shù)i為0,即節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)分組可能在來(lái)自“虛擬空閑時(shí)隙”的情況下,結(jié)合圖 1和式(4)可得:

歸納整理可得:

最后根據(jù)Markov模型的歸一化條件[10]:

定義τ為站點(diǎn)在某一時(shí)隙傳輸?shù)母怕?在該站點(diǎn)的退避計(jì)數(shù)器值為0時(shí)開(kāi)始傳輸,開(kāi)始傳輸?shù)臅r(shí)刻與退避級(jí)數(shù)無(wú)關(guān),則可得:

推導(dǎo)至此,可以看出分組傳輸率τ受p,p0,ptr以及q的影響。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于飽和狀態(tài)且不考慮退避凍結(jié)狀態(tài)和重傳次數(shù)限制,即q=0,p0=0,ptr=0以及m→∞時(shí),可得此時(shí)τ的表達(dá)式:

與文獻(xiàn)[2]的模型相同,同時(shí)也與文獻(xiàn)[9]的模型相同。

由此可見(jiàn),本文提出的模型比Bianchi模型考慮的因素更全面,同時(shí)又比文獻(xiàn)[7]提出的模型更為簡(jiǎn)潔。

3 模型分析

DCF的系統(tǒng)性能指標(biāo)主要有吞吐量、分組傳輸時(shí)延以及包重發(fā)率等,其中尤以吞吐量最為重要。本文對(duì)模型的性能進(jìn)行分析時(shí),采用歸一化吞吐量以及分組傳輸時(shí)延作為分析對(duì)象。

在第2節(jié)中,利用改進(jìn)的Markov模型已經(jīng)推導(dǎo)出了分組傳輸概率τ的表達(dá)式(10)。接下來(lái)對(duì)該模型進(jìn)行分析,以便得出系統(tǒng)歸一化的吞吐量S的表達(dá)式。

首先定義ps是至少有一站點(diǎn)傳輸分組的條件下,分組傳輸成功的概率。

發(fā)生沖突碰撞的概率ptr可表示為:

進(jìn)而可以導(dǎo)出ps表達(dá)式為:

根據(jù)p是分組發(fā)生碰撞的概率這一設(shè)定,可以得出:

由于已經(jīng)設(shè)定分組達(dá)到服從泊松分布,因此長(zhǎng)度為slot的時(shí)間內(nèi),節(jié)點(diǎn)處于“虛擬空閑時(shí)間”,即沒(méi)有數(shù)據(jù)分組到達(dá)的概率,表示為:

3.1 歸一化吞吐量分析

定義系統(tǒng)的歸一化吞吐量S如下[11]:

設(shè)E[P]是分組的平均大小,因?yàn)樵趩挝粫r(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)母怕蕿閜trps,所以在單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)男畔⒌钠骄行лd荷為ptrpsE[P]。

定義在單位時(shí)間內(nèi),數(shù)據(jù)分組成功發(fā)送的概率為pc:

由此可以導(dǎo)出系統(tǒng)的歸一化吞吐量:

其中,σ是空閑時(shí)隙的長(zhǎng)度;Ts是媒體成功傳輸分組而被檢測(cè)為忙的平均時(shí)間;Tc是媒體由于發(fā)生碰撞而被檢測(cè)為忙的時(shí)間。在此給出Ts和Tc的表達(dá)式[2]。

在單位時(shí)間內(nèi),(1-ptr)σ表示空閑狀態(tài)平均占用的時(shí)間,ptrpsTs表示分組傳輸成功平均占用的時(shí)間,ptr(1-ps)Tc表示發(fā)生碰撞平均占用的時(shí)間。

其中,H=PHYhead+MAChead;PHYhead為PHY頭部長(zhǎng)度;MAChead為MAC頭部長(zhǎng)度;SIFS為短幀間間隔, ACK為ACK幀長(zhǎng);DIFS為分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔; δ為傳播時(shí)延。

3.2 分組傳輸時(shí)延分析

定義D是無(wú)接入點(diǎn)的無(wú)線局域網(wǎng)的分組傳輸時(shí)延,并將D分為以下4個(gè)部分[12]:

(1)Ts:節(jié)點(diǎn)在成功競(jìng)爭(zhēng)到信道使用權(quán)后,發(fā)送分組數(shù)據(jù)所用的時(shí)間;

(2)Ds:在節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道過(guò)程中,由于其他節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)而使信道處于忙狀態(tài)的平均時(shí)間;

(3)Dc:由于發(fā)送沖突而使信道處于忙狀態(tài)的平均時(shí)間;

(4)Tslot:在節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道過(guò)程中,占用時(shí)隙的總時(shí)間,它包括總的退避時(shí)間以及其它節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送或沖突的等待時(shí)間。

這樣,可以得到公式:

參考式(22)得:

下面將對(duì)剩下的3個(gè)變量進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算。

假定站點(diǎn)均處于同一無(wú)線信道的覆蓋范圍內(nèi),那么任意2個(gè)站點(diǎn)之間都可以互相偵聽(tīng)和傳輸數(shù)據(jù),進(jìn)一步,每個(gè)站點(diǎn)對(duì)信道的需求概率是相同的。所以,在一段較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),每個(gè)站點(diǎn)成功發(fā)送完成一組數(shù)據(jù)幀的概率相同,且在一個(gè)站點(diǎn)連續(xù)2次成功發(fā)送的

間隔之間,其他站點(diǎn)也必定各自都有一次成功的發(fā)送[13-14]。定義Ns是此時(shí)間段內(nèi)其它站點(diǎn)的成功發(fā)送次數(shù),則有NS=n-1,其中,n表示站點(diǎn)總數(shù)。因此,在一個(gè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道過(guò)程中,由于其他節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)而使信道處于忙狀態(tài)的平均時(shí)間為:

再根據(jù)式(15)、式(16)可得:

其中,定義Nc為連續(xù)發(fā)生沖突的次數(shù),Nc均值為:

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,連續(xù)2次成功發(fā)送的時(shí)間間隔內(nèi)沖突次數(shù)為E[Nc],同樣的,在一個(gè)D之中有n次站點(diǎn)成功發(fā)送了數(shù)據(jù),這樣推導(dǎo)出:

定義變量Nslot為一次退避中包含的連續(xù)的空閑時(shí)隙數(shù),那么Nslot為一個(gè)隨機(jī)整數(shù)的概率:

Nslot均值為:

總的空閑時(shí)隙的時(shí)間為:

將式(24)、式(25)、式(28)、式(31)代入式(23),得:

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

利用 Matlab建立非飽和狀態(tài)下不同站點(diǎn)數(shù)WLAN吞吐量和時(shí)延的仿真平臺(tái),比較IEEE802.11中的不同虛擬空閑時(shí)間下站點(diǎn)數(shù)對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

為了更直觀地顯現(xiàn)出本文所作出的貢獻(xiàn),將文獻(xiàn)[9]的模型和文獻(xiàn)[15]的模型與本文的模型對(duì)比。其中,文獻(xiàn)[9]的模型以下簡(jiǎn)稱ZPing模型,文獻(xiàn)[15]的模型以下簡(jiǎn)稱Malone模型。ZPing模型全面考慮了IEEE802.11 DCF模型中包括業(yè)務(wù)量、緩沖區(qū)大小、節(jié)點(diǎn)總數(shù)量與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系,并結(jié)合M/M/1/K模型分析了非飽和負(fù)載,還加入了信道衰落因素;但是此模型并沒(méi)有探討站點(diǎn)數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的關(guān)系,而且模型過(guò)于復(fù)雜,也沒(méi)有對(duì)分組傳輸時(shí)延性能做出細(xì)致分析。Malone模型考慮了實(shí)際情況下發(fā)送站不會(huì)隨時(shí)處于飽和狀態(tài)的條件,但是此模型沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)退避過(guò)程中退避凍結(jié)情況。

從圖2的總體趨勢(shì)來(lái)看:隨著站點(diǎn)數(shù)的增多,系統(tǒng)吞吐量經(jīng)歷了一個(gè)先快速增加,再緩慢下降的過(guò)程。這是因?yàn)樵谡军c(diǎn)數(shù)目很少時(shí),發(fā)生碰撞的概率很小,此時(shí)影響吞吐量的主要因素是信道的利用率。而此時(shí)信道經(jīng)常處于空閑狀態(tài),信道利用率很低,所以導(dǎo)致吞吐量小。當(dāng)站點(diǎn)數(shù)增加時(shí),信道的利用率迅速增長(zhǎng),使吞吐量增長(zhǎng),達(dá)到一個(gè)很高的水平。而當(dāng)站點(diǎn)數(shù)足夠多時(shí),信道基本處于忙碌狀態(tài),此時(shí)影響系統(tǒng)吞吐量的因素由信道的忙閑變?yōu)榱藳_突的發(fā)生和解決。隨著站點(diǎn)數(shù)的增加,沖突的機(jī)會(huì)也增加,所以吞吐量會(huì)有下降。

圖2 系統(tǒng)吞吐量仿真結(jié)果

從“虛擬空閑時(shí)間”的長(zhǎng)短對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響來(lái)看:當(dāng)站點(diǎn)數(shù)目很少(如站點(diǎn)數(shù)為2,4)時(shí),“虛擬空閑時(shí)間”越短,系統(tǒng)吞吐量越低。這是因?yàn)檎军c(diǎn)數(shù)目少,碰撞發(fā)生的機(jī)會(huì)較少,所以此時(shí)影響吞吐量的主要因素是信道的利用程度。而“虛擬空閑時(shí)間”越小時(shí),信道越忙碌,利用率也就越高,系統(tǒng)吞吐能越好。

隨著站點(diǎn)數(shù)增加,當(dāng)站點(diǎn)數(shù)達(dá)到6時(shí),1 000 slot的吞吐量已經(jīng)超越500 slot時(shí)的吞吐量;500 slot的吞吐量已經(jīng)超越100 slot的吞吐量。

當(dāng)站點(diǎn)數(shù)目達(dá)到14及其以上時(shí),虛擬空閑時(shí)間越長(zhǎng),吞吐量反而越大。這是因?yàn)樵谡军c(diǎn)數(shù)目比較多時(shí),所有信道都已經(jīng)基本處于忙碌狀態(tài),沖突也都將會(huì)變得很多。此時(shí),“虛擬空閑時(shí)間”越長(zhǎng),數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突的機(jī)會(huì)反而越小,處理開(kāi)銷(xiāo)越小,吞吐量自然也就越高。

從上述分析可以知道,信道的忙碌程度以及沖突都影響著系統(tǒng)的吞吐量。“虛擬空閑時(shí)間”越長(zhǎng),信道利用程度越低、沖突發(fā)生的機(jī)會(huì)越小。站點(diǎn)數(shù)目小的時(shí)候,無(wú)論“虛擬空閑時(shí)間”有多長(zhǎng),沖突的發(fā)生的概率都比較小,此時(shí)沖突不是影響吞吐量的主要因素,在這種情況下,“虛擬空閑時(shí)間”通過(guò)影響信道利用率來(lái)影響系統(tǒng)的吞吐量。站點(diǎn)數(shù)較多的時(shí)候,由于信道都處于忙碌狀態(tài),因此“虛擬空閑時(shí)間”的長(zhǎng)短對(duì)信道利用率影響很小,此時(shí)它通過(guò)影響沖突的發(fā)生概率來(lái)影響吞吐量。

再將本文建立的模型的結(jié)果與Malone模型[15]的結(jié)果對(duì)比來(lái)看,當(dāng)站點(diǎn)數(shù)目比較小的時(shí)候,除了虛擬空閑時(shí)間為2 000 slot情況下的吞吐量比對(duì)比模型的吞吐量小外,其余3種情況均優(yōu)于對(duì)比模型的。當(dāng)站點(diǎn)數(shù)目比較大時(shí)(12以上),吞吐量性能比對(duì)比模型的差。由此可見(jiàn),本文的模型在一定程度上改善了吞吐量性能,但是同時(shí)犧牲了站點(diǎn)數(shù)目比較大時(shí)候的吞吐量性能。

由圖3可以看出:當(dāng)站點(diǎn)數(shù)目較少時(shí),“虛擬空閑時(shí)間”為100 slot,500 slot,1 000 slot及2 000 slot 4種情況下的時(shí)延都很小;當(dāng)站點(diǎn)數(shù)目增加時(shí),由于發(fā)送沖突的概率增加而使信道處于忙狀態(tài)的平均時(shí)間DC的增加,同時(shí)沖突處理的開(kāi)銷(xiāo)也增加,因此時(shí)延增大。

圖3 分組傳輸時(shí)延仿真結(jié)果

再考慮“虛擬空閑時(shí)間”的長(zhǎng)短對(duì)時(shí)延的影響:

“虛擬空閑時(shí)間”為2 000 slot時(shí),時(shí)延始終比其他3種情況小。這是因?yàn)樘摂M空閑時(shí)間很長(zhǎng),信道相對(duì)于其他情況較為空閑,發(fā)生的碰撞也始終最少,所以花費(fèi)在沖突的探測(cè)和處理上的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)小,即時(shí)延小。

“虛擬空閑時(shí)間”為100 slot,500 slot和1 000 slot 3種情況下,在站點(diǎn)數(shù)較少時(shí),由于信道都處于較空閑的狀態(tài),數(shù)據(jù)分組傳輸沖突的概率很小,因此三者的平均時(shí)延都非常小且很接近。當(dāng)站點(diǎn)數(shù)比較多時(shí),在此情況下,由于“虛擬空閑時(shí)間”越短,信道越忙碌,數(shù)據(jù)分組碰撞的幾率越大,因此時(shí)延越大。100 slot和500 slot情況下的時(shí)間幾乎可以視為是一致的,且高于虛擬空閑時(shí)間為1 000 slot的時(shí)延。與選ZPing模型相比較,在整個(gè)過(guò)程中,時(shí)延性能有較大的提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文改進(jìn)了Markov鏈模型,引入“虛擬空閑時(shí)間”來(lái)定量描述信道的忙碌狀態(tài),同時(shí)綜合考慮了實(shí)際過(guò)程中非飽和狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的退避、凍結(jié)以及不同站點(diǎn)數(shù)等多種實(shí)際情況。通過(guò)對(duì)WLAN網(wǎng)絡(luò)的建模、仿真,得出不同長(zhǎng)短的“虛擬空閑時(shí)間”下,吞吐量和時(shí)延隨著站點(diǎn)數(shù)的變化而變化的數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)分析了站點(diǎn)數(shù)的多少以及“虛擬空閑時(shí)間”的大小對(duì)DCF性能的影響。仿真結(jié)果表明,隨著站點(diǎn)數(shù)的上升,系統(tǒng)吞吐量為先上升在下降的總趨勢(shì);與此同時(shí), 100 slot,500 slot,1 000 slot,2 000 slot空閑時(shí)間下的吞吐量在變化過(guò)程中有交替,即吞吐量由最初的S(100 slot)＞S(500 slot) ＞S(1 000 slot) ＞S(2 000 slot)隨站點(diǎn)數(shù)變化逐漸變?yōu)镾(2 000 slot)＞S(1 000 slot)＞S(500 slot)＞S(100 slot),直至最終幾乎一致。同時(shí)與對(duì)比模型相比,性能在一定條件下有所改善。在分組傳輸時(shí)延方面,隨著站點(diǎn)數(shù)上升,時(shí)延增大,虛擬空閑時(shí)間為100 slot、500 slot、1 000 slot情況下的分組傳輸時(shí)延始終較接近,且明顯大于2 000 slot情況下的分組傳輸時(shí)延。與對(duì)比模型相比,時(shí)延性能改善非常明顯。

[1] IEEE.IEEE Standard 802.11-1991WirelessLAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer (PHY)Specifications[S].1991.

[2] Bianchi G.Performance Analysis of the IEEE802.11 Distributed Coordination Function[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2000,18(3): 535-547.

[3] 彭春華,蔣新華.高速移動(dòng)環(huán)境下提高WLAN有效吞吐量方法的研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2012,34(1):54-59.

[4] Zheng Haitao, Zhang Xiaomin, Cao Gaoming. Performance Analysis of IEEE802.11 DCF in Nonsaturated Conditions[C]//Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Business Management and Electronic Information.[S.1.]:IEEE Press,2011: 495-498.

[5] 楊衛(wèi)東,馬建峰,李亞輝.基于分組到達(dá)率的 802.11 DCF性能分析[J].軟件學(xué)報(bào),2008,19(10): 2762-2769.

[6] Yu Cheng,Ling Xinhua,Zhuang Weihua.A ProtocolindependentApproach forAnalyzing the Optimal Operation PointofCSMA/CA Protocols[C]// Proceedings of INFOCOM’09.[S.1.]:IEEE Press, 2009:2070-2078.

[7] 王 巖,王開(kāi)宇,金順福.基于數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)的 DCF及其性能分析[J].計(jì)算機(jī)工程,2009,35(12):97-99.

[8] Gupta N,Rai C S.Comparison of Analytical Models for Evaluating the Performance of IEEE802.11 Distributed Coordination Function Under Saturated Conditions[C]// Proceedings of ACCT’13.[S.1.]:IEEE Press,2013: 221-225.

[9] 鐘 萍,施海彬,莊玉祥,等.IEEE802.11 DCF協(xié)議性能分析模型[J].應(yīng)用科學(xué)報(bào),2013,31(1):41-47.

[10] Prakash G,Thangaraj P.Throughput Analysis of IEEE802. 11b WLAN Under a Non-Saturated Condition[C]// Proceedings ofInternationalConferenceon Emerging Trends in Technology.[S.1.]:ACM Press,2010:298-303.

[11] Zheng Qin,Xiao Jinsheng,Xie Honggang.A Novel ModelforNon-saturated Performance Analysis of IEEE802.11 DCF[C]//Proceedingsofthe2nd InternationalConference on ConsumerElectronics, Communications and Networks.[S.1.]:IEEE Press, 2012:1552-1556.

[12] Kosek-Szott K.Throughput,Delay,andFrameLoss Probability Analysis of IEEE 802.11 DCF with M/M/ 1/K Queues[C]//Proceedingsofthe 24th IEEE International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications.[S.1.]:IEEE Press,2013: 2234-2238.

[13] 汪廣洪.IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng) MAC層性能及服務(wù)質(zhì)量研究[D].天津:天津大學(xué),2004.

[14] 彭春華.信道估計(jì)及 DCF算法在旅客列車(chē)無(wú)線Internet接入中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2010.

[15] Malone D,Duffy K,Leith D.Modeling the 802.11 Distributed Coordination Function in Nonsaturated Heterogeneous Conditions[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2007,15(1):159-172.

編輯 索書(shū)志

Effects of Virtual Idle Time on Non-saturated DCF Performance

PENG Chunhua,XU Xiangzi
(School of Information Science and Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)

To evaluate the performance of the Distributed Coordination Function(DCF)in the case of non-saturation state,the concept of Virtual Idle Time(VIT)is introduced.It is used to measure how busy the non-saturation Wireless Local Area Network(WLAN)system is.An improved two-dimensional Markov chain model is proposed.With ideal channel and basic access mechanism,the improved Markov chain model is used to investigate the effects of VIT and the number of stations on the system’s throughput and average package delay.Theoretical analysis and simulation results show that in different VIT,as number of stations increases,the non-saturation throughput decreases slowly after a rapid rise,while the average package delay experiences a steady rise in the process.Compared with the models selected,when the number of station is small,the performance of throughput becomes better,and the performance of package delay is greatly improved.

Wireless Local Area Network(WLAN);Markov chain;Distributed Coordination Function(DCF);Virtual Idle Time(VIT);throughput;time delay

1000-3428(2015)01-0096-07

A

TP393.17

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.01.018

彭春華(1971-),男,講師,主研方向:無(wú)線通信;徐湘淄,本科生。

2014-01-16

2014-03-24 E-mail:1499734120@qq.com

中文引用格式:彭春華,徐湘淄.虛擬空閑時(shí)間對(duì)非飽和狀態(tài)DCF性能的影響[J].計(jì)算機(jī)工程,2015,41(1):96-102.

英文引用格式:Peng Chunhua,Xu Xiangzi.Effects of Virtual Idle Time on Non-saturated DCF Performance[J]. Computer Engineering,2015,41(1):96-102.