張 旭，田 錦

(1.河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；2.金陵科技學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

IEEE 802.11p MAC協(xié)議碰撞概率研究與分析

張 旭1,2，田 錦2

(1.河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；2.金陵科技學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

車載網(wǎng)絡(luò)MAC層采用的是IEEE 802.11p/1609.x協(xié)議，現(xiàn)有的無(wú)線通信MAC協(xié)議無(wú)法滿足交通信息化產(chǎn)業(yè)的需求。目前針對(duì)IEEE 802.11p MAC層的研究主要是通過(guò)設(shè)計(jì)馬爾可夫模型進(jìn)行的，但該模型建模復(fù)雜，計(jì)算難度大。文中設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)化直觀的數(shù)學(xué)模型對(duì)該協(xié)議進(jìn)行研究與分析，闡述了IEEE 802.11p MAC層中的EDCA信道接入規(guī)范，根據(jù)EDCA的信道接入規(guī)范設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)分析模型。在不考慮仲裁幀間隙(AIFS)的前提下，運(yùn)用該模型對(duì)EDCA競(jìng)爭(zhēng)傳輸機(jī)制中四個(gè)不同優(yōu)先級(jí)發(fā)生第一次傳輸情況下的碰撞概率進(jìn)行研究。主要分析了不同優(yōu)先級(jí)的不同競(jìng)爭(zhēng)窗參數(shù)以及節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)于系統(tǒng)碰撞概率的影響。根據(jù)各個(gè)優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目情況，運(yùn)用該模型合理設(shè)計(jì)相應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)窗的取值，顯著提高了系統(tǒng)的性能。分析結(jié)果表明：該模型在研究IEEE 802.11p MAC層性能中有較好的表現(xiàn)。

IEEE 802.11p；EDCA；優(yōu)先級(jí)；碰撞概率

0 引 言

交通問(wèn)題隨著交通產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展日益顯現(xiàn)，交通產(chǎn)業(yè)的發(fā)展既給人們帶來(lái)了發(fā)展的機(jī)遇，也給人們帶來(lái)了巨大的災(zāi)害。面對(duì)所出現(xiàn)的問(wèn)題，車聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)勢(shì)在必行。在交通安全得以保障的前提下，提供優(yōu)質(zhì)的交通服務(wù)是車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵所在。

車載網(wǎng)絡(luò)通信MAC協(xié)議是IEEE 802.11p/1609.x[1]系列標(biāo)準(zhǔn)，該協(xié)議是在IEEE 802.11[2]的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，使協(xié)議適應(yīng)車載網(wǎng)絡(luò)獨(dú)特的分散的環(huán)境以及通信節(jié)點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸類型的影響。IEEE 802.11a[3]協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)沒(méi)有進(jìn)行劃分，所有數(shù)據(jù)被一視同仁地放在同一個(gè)隊(duì)列中等待傳送，一些實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)就可能無(wú)法立即傳送，而非實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)占用了傳輸信道的傳送時(shí)間，降低了信道傳輸?shù)馁|(zhì)量以及效率。IEEE組織針對(duì)不同業(yè)務(wù)設(shè)置了不同大小的競(jìng)爭(zhēng)窗(Contention Windows，CW)，在EDCA[4](Enhanced Distributed Channel Access)中規(guī)定了四種不同大小的優(yōu)先級(jí)。IEEE 802.11p MAC層采用EDCA接入機(jī)制，研究表明，CW值與節(jié)點(diǎn)數(shù)目設(shè)置對(duì)EDCA的協(xié)議性能影響很大。張俊健等[5]提出了一種新的EDCA自適應(yīng)退避優(yōu)化算法，通過(guò)NS2對(duì)改進(jìn)后的算法以及經(jīng)典算法進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)通過(guò)緩慢減少CW值，可以大幅降低信道碰撞率。何晉等[6]基于p-persistent模型提出了RLSBA算法，通過(guò)實(shí)時(shí)偵聽(tīng)信道狀態(tài)，在提高系統(tǒng)吞吐量的同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)間的碰撞概率。分析表明節(jié)點(diǎn)密度增加時(shí)，沖突概率呈上升的趨勢(shì)。現(xiàn)今大部分對(duì)EDCA的研究[7-9]均采用Bianchi G[10]的馬爾可夫模型或者改進(jìn)的馬爾可夫模型進(jìn)行。

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型對(duì)EDCA性能進(jìn)行分析。在EDCA機(jī)制中，主要考慮競(jìng)爭(zhēng)窗口對(duì)協(xié)議性能的影響，不考慮仲裁幀間隙(Arbitration Inter-Frame Spacing，AIFS)以及重傳機(jī)制。先對(duì)EDCA中的競(jìng)爭(zhēng)窗口CW及其相關(guān)的退避機(jī)制進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，然后介紹數(shù)學(xué)模型，競(jìng)爭(zhēng)碰撞概率公式，以及多個(gè)節(jié)點(diǎn)情況下對(duì)碰撞概率的分析，最后通過(guò)MATLAB對(duì)公式進(jìn)行仿真得出相關(guān)數(shù)據(jù)，分析EDCA機(jī)制的性能。

1 IEEE 802.11p協(xié)議EDCA工作機(jī)制

IEEE 802.11p MAC協(xié)議針對(duì)不同的傳輸類別設(shè)置不同的傳輸參數(shù)，即(AIFS，CW)。AIFS為節(jié)點(diǎn)的額外等待時(shí)間，AIFS的值較小時(shí)，適合于AC0和AC1這兩個(gè)接入類；AIFS的值較大時(shí)，適合于AC2和AC3這兩個(gè)接入類。CW為系統(tǒng)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的等待長(zhǎng)度，等待長(zhǎng)度的長(zhǎng)短對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否能夠優(yōu)先傳輸具有重要意義，不同的優(yōu)先級(jí)有著不同的等待長(zhǎng)度。如果兩個(gè)傳輸級(jí)別同時(shí)被允許發(fā)送，這就會(huì)引起碰撞。EDCA通過(guò)虛擬調(diào)度[11]，可讓優(yōu)先級(jí)高的傳輸級(jí)別先通過(guò)。

EDCA中的4種訪問(wèn)類型(Access Category,AC)為AC_VO(Voice)、AC_VI(Video)、AC_BE(Best effect)和AC_BK(Background)[12]。其中，傳送優(yōu)先級(jí)為AC_VO>AC_VI>AC_BE>AC_BK。EDCA的默認(rèn)參數(shù)值[13]如表1所示。

表1 EDCA的默認(rèn)參數(shù)設(shè)置

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型對(duì)EDCA的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制進(jìn)行分析。由于EDCA中的仲裁幀間隙與競(jìng)爭(zhēng)窗的窗口大小都是變化的，這樣4個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的狀態(tài)量就極為龐大。文中只研究不同優(yōu)先級(jí)的競(jìng)爭(zhēng)窗大小對(duì)碰撞概率的影響，所以將AIFS的值設(shè)置為0，其分析模型如圖1所示。

圖1 競(jìng)爭(zhēng)窗大小不同的模型(AIFS相同)

2 IEEE 802.11p MAC協(xié)議簡(jiǎn)單模型和概率分析

2.1 4節(jié)點(diǎn)處于4種優(yōu)先級(jí)

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2 推導(dǎo)過(guò)程與結(jié)果

取優(yōu)先級(jí)AC0>AC1>AC2>AC3的例子進(jìn)行推導(dǎo)，當(dāng)AC0>AC1>AC2>AC3時(shí)可以得到W0

使用上述設(shè)計(jì)的模型設(shè)置相關(guān)的值，以及在該模型下的碰撞概率Pcoll，則先求出4個(gè)優(yōu)先級(jí)競(jìng)爭(zhēng)成功的概率：Pwin0,Pwin1,Pwin2和Pwin3。在這種情況下，可以通過(guò)計(jì)算得出以下結(jié)果：

AC0競(jìng)爭(zhēng)成功的概率為：

(5)

AC1競(jìng)爭(zhēng)成功的概率為：

(6)

AC2競(jìng)爭(zhēng)成功的概率為：

(7)

AC3競(jìng)爭(zhēng)成功的概率為：

(8)

Pcoll為：

(9)

這種情況只是EDCA競(jìng)爭(zhēng)窗可能性的一種，接下來(lái)將競(jìng)爭(zhēng)窗所能出現(xiàn)的所有情況全部考慮在內(nèi)，得出的24種可能性如圖2所示。

圖2 所有優(yōu)先級(jí)取值可能性的結(jié)果

2.3 多節(jié)點(diǎn)處于不同優(yōu)先級(jí)

由于優(yōu)先級(jí)的可能性有多種，全部考慮的情形的數(shù)據(jù)量巨大，因此文中取優(yōu)先級(jí)AC0>AC1>AC2>AC3的例子進(jìn)行推導(dǎo)。當(dāng)AC0>AC1>AC2>AC3時(shí)，可以得到W0

AC0競(jìng)爭(zhēng)成功的概率為：

(10)

AC1競(jìng)爭(zhēng)成功的概率為：

(11)

AC2競(jìng)爭(zhēng)成功的概率為：

(12)

AC3競(jìng)爭(zhēng)成功的概率為：

(13)

Pcoll的計(jì)算同式(9)。

3 性能結(jié)果與分析

通過(guò)式(9)可以得出在4種競(jìng)爭(zhēng)窗的節(jié)點(diǎn)數(shù)均設(shè)置為1時(shí)的碰撞概率，這樣可以動(dòng)態(tài)地設(shè)置不同優(yōu)先級(jí)的競(jìng)爭(zhēng)窗以降低碰撞概率，從而達(dá)到更佳的傳輸效果。式(14)中，首先設(shè)置最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值，再設(shè)置節(jié)點(diǎn)數(shù)目，可以更加直觀地觀察節(jié)點(diǎn)變化情況下的傳輸效果，碰撞概率越小，傳輸效果越佳。同樣可以固定節(jié)點(diǎn)數(shù)目，改變最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值，研究該值對(duì)系統(tǒng)碰撞概率的影響。

(1)節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)系統(tǒng)碰撞概率的影響。

依據(jù)表2設(shè)置最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值的大小[14]。

表2 典型的優(yōu)先級(jí)的取值范圍

如前所述，由于分組排列的可能性太多，這里僅選取兩個(gè)節(jié)點(diǎn)變化的情況進(jìn)行分析，其中4種典型情況如圖3所示。橫坐標(biāo)代表任意兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)代表系統(tǒng)的碰撞概率。圖3中情況1、3和4的最大競(jìng)爭(zhēng)窗W0～W3分別設(shè)置為7、15、1 023和1 023；圖3中情況2的最大競(jìng)爭(zhēng)窗W0～W3分別設(shè)置為7、63、1 023和1 023。

圖3 節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化與碰撞概率的關(guān)系

從圖3中情況1、3和4可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，系統(tǒng)碰撞概率隨之增加。其中，情況1和情況3分別表示變化節(jié)點(diǎn)的最大競(jìng)爭(zhēng)窗取值相同或者差異較小的情況，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)變化時(shí)系統(tǒng)碰撞概率增加速度差異較??；而情況4表示變化節(jié)點(diǎn)的最大競(jìng)爭(zhēng)窗取值差異較大的情況，可以看出該情況下當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加的時(shí)候，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)碰撞概率的增加速度明顯低于優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)。情況1與情況2比較的是變化節(jié)點(diǎn)相同而最大競(jìng)爭(zhēng)窗取值不同的時(shí)候系統(tǒng)的碰撞概率，從圖中可以看出最大競(jìng)爭(zhēng)窗的窗口值增加時(shí)，優(yōu)先級(jí)較高的系統(tǒng)碰撞概率將降低。

通過(guò)上述結(jié)果可以得出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加時(shí)，系統(tǒng)的碰撞概率隨之增加，同時(shí)不同優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的碰撞概率的影響程度不同。優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的碰撞概率的影響程度較大，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的碰撞概率的影響程度較小。

(2)最大競(jìng)爭(zhēng)窗對(duì)系統(tǒng)碰撞概率的影響。

將4種AC的節(jié)點(diǎn)數(shù)目均設(shè)置為15，4種接入類的最大競(jìng)爭(zhēng)窗的窗口值設(shè)置為數(shù)組[CW0，CW1，CW2，CW3]，通過(guò)改變數(shù)組中的值探究競(jìng)爭(zhēng)窗對(duì)系統(tǒng)碰撞概率的影響，得出的結(jié)果如圖4所示。

圖中，情況1將第一優(yōu)先級(jí)的最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值設(shè)為1～7，其余優(yōu)先級(jí)的最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值為默認(rèn)設(shè)定。當(dāng)最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值增加時(shí)，系統(tǒng)的碰撞概率降低，變化趨勢(shì)較為緩慢。情況2將第二優(yōu)先級(jí)的最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值設(shè)為1～63，其余優(yōu)先級(jí)的最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值為默認(rèn)設(shè)定。當(dāng)最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值增加時(shí)，系統(tǒng)的碰撞概率降低，變化趨勢(shì)為一開(kāi)始系統(tǒng)的碰撞概率較快降低，然后保持緩慢變化。情況3、4分別將第三、第四優(yōu)先級(jí)的最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值設(shè)置為1～1 023，其余優(yōu)先級(jí)的最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值為默認(rèn)設(shè)定。當(dāng)最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)碰撞概率的變化情況為，當(dāng)最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值設(shè)置在100以內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)的碰撞概率快速降低，當(dāng)大于100時(shí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)碰撞概率變化緩慢并趨于平穩(wěn)。

通過(guò)上述結(jié)果可以得出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目保持不變時(shí)，不同優(yōu)先級(jí)最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值增加時(shí)，系統(tǒng)的碰撞概率會(huì)降低。但4種情況對(duì)系統(tǒng)的碰撞概率影響程度不同，優(yōu)先級(jí)高的最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值變化時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的碰撞概率的影響程度較大，優(yōu)先級(jí)低的最大競(jìng)爭(zhēng)窗的值變化時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的碰撞概率的影響程度較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)性能分析是評(píng)估網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣的重要方法之一。文中根據(jù)EDCA信道接入規(guī)范中的指數(shù)增加回退機(jī)制，在不考慮仲裁幀間隔時(shí)，研究協(xié)議對(duì)于信道接入的影響，提出一種簡(jiǎn)化的概率分析模型。該模型運(yùn)用概率計(jì)算公式計(jì)算出每個(gè)優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功的概率，并推導(dǎo)出系統(tǒng)發(fā)生碰撞的概率。通過(guò)設(shè)計(jì)模型中競(jìng)爭(zhēng)窗的值以及節(jié)點(diǎn)數(shù)目的值，進(jìn)一步研究EDCA中競(jìng)爭(zhēng)窗窗口值及節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)系統(tǒng)碰撞概率的影響。

圖4 最大競(jìng)爭(zhēng)窗與碰撞概率的關(guān)系

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，根據(jù)各個(gè)優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目情況，合理設(shè)計(jì)相應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)窗的取值，可以降低系統(tǒng)的碰撞概率，有利于系統(tǒng)性能的提高。在后續(xù)研究中，將考慮如何在該模型的基礎(chǔ)上引入重傳機(jī)制進(jìn)行理論研究與分析。

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Investigation and Analysis on Collision Probability of IEEE 802.11p MAC

ZHANG Xu1,2,TIAN Jin2

(1.College of Internet of Things Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,China;2.School of Networks and Telecommunications Engineering,Jinling Institute of Technology,Nanjing 211169,China)

The MAC layer of VANET adopts the IEEE 802.11p/1609.x protocol,and the existing MAC protocol of wireless communication cannot meet the demand of the industry of traffic informatization.The study of IEEE 802.11p MAC is mainly through designing Markov chain model,but it is complex and difficult to calculate.Therefore,a intuitional mathematical model has been designed to research and analyze the mechanism.According to mechanisms of EDCA and on the basis of investigation on EDCA standard,a simplified mathematical analysis model has been designed to analyze the competitive transmission mechanism in EDCA.The investigation focuses on the collision probability of four different priorities in EDCA without consideration of the Arbitration Inter Frame Space (AIFS).The analysis on channel access with more nodes with the proposed model have been conducted after setting parameters of the contention windows of different priorities.The collision probabilities can be reduced and thus the quality of system be improved.Simulation results show that this model has better performance in construction research on the MAC Layer of IEEE 802.11p．

IEEE 802.11p;EDCA;priorities;collision probability

2016-05-15

2016-09-09

時(shí)間：2017-02-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61375121)；南京市科技計(jì)劃(2012ZD003)

張 旭(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議；田 錦，博士，通信作者，研究方向?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電技術(shù)、寬帶無(wú)線接入技術(shù)、第四代移動(dòng)通信泛在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信理論、智能交通系統(tǒng)與理論。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1634.082.html

TP31

A

1673-629X(2017)03-0012-06

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.003