一种IEEE802.11DCF退避机制的改进

朱 燕 (娄底职业技术学院电子信息工程系,湖南娄底41 7000)

IEEE802.11MAC协议主要任务包括控制无线介质访问、提供有效的数据通信。IEEE802.11定义了集中式协调功能PCF(Point Coordination Function)和分布式协调功能DCF(Distributed Coordination Function)这2种介质访问控制的方法。作为802.11标准协议中最基础的媒体控制访问方法,DCF由于其实现比较简单,因此在实际无线局域网中的应用相对要多于PCF机制。由于分布式控制DCF方法中多个节点同时发送数据帧而出现碰撞的情况不可避免,并且随着网络总业务量的增多或出现突发状况时,碰撞概率会急剧增大。在无线载波侦听网络里,退避机制是节点接入网络时减少冲突的方法,退避算法直接关系到MAC协议的整体性能,其研究对提高网络吞吐量具有重要意义。

1 二进制指数退避算法 (BEB)的缺点

在IEEE802.11DCF中采用的标准退避算法是二进制指数退避 (Binary Exponential Backoff,BEB)[1,2]。BEB算法在某些方法解决了信道争用问题,但是也存在2个缺点:

1)前一次成功发送的节点CW值立刻回到初始大小,而其他不成功的节点CW值较大,因此在某一小段时间内对于刚成功发送的节点再次竞争信道的概率大大增加,从而造成不公平性现象[3],并导致时延大范围抖动。

2)当网络节点数较多负载比较严重时,节点每次成功发送后都将CW重置为CWmin,可能会引起更多的数据冲突,不能正确反映当前信道竞争使用情况。由于数据冲突和退避机制也要浪费时间,从而造成系统的吞吐量急剧下降。

因此,在BEB中节点的随机时间窗口设置成为一个很重要的问题:过小冲突比较严重;过大则浪费严重。

2 改进的退避算法

BEB算法适合于负载比较轻的环境,如果负载过重其性能则急剧下降。为了能让节点更快的达到公平的竞争状态,提高整个网络的性能,笔者引入了一个中间参数CWmid(CWmin＜CWmid＜CWmax)作为区分节点竞争程度的阀值,提出了一种改进的退避算法。改进的退避算法如下:

算法描述如图1所示。同时结合其他退避算法的取值,考虑将初始竞争窗口设置CWmin为2,CWmax为1024,CWmid为32。①初始时网络负载较轻,其竞争窗口CW≥CWmid时,若发生冲突数据包发送失败,则竞争窗口和BEB一样增长为原来的2倍CW=2CW;若数据包发送成功,竞争窗口CW线性减少,在原窗口基础上减1,避免竞争窗口下降过快引起更多的冲突。②当网络负载较多,其竞争窗口CW ＞CWmid时,若数据包发送失败,则竞争窗口CW值和BEB一样增长为原来的2倍;当数据包发送成功后,竞争窗口CW值不直接降到最小CWmin,而是在原窗口基础上除以4,让竞争窗口快速降到CWmid附近,防止过度空闲而使得信道利用率下降。

图1 改进的退避算法描述图

图2 无线子网模型

3 OPNET模拟仿真及分析

3.1 OPNET仿真建模

无线网络模型如图2所示,包括1个AP和使用wlan_station_adv(Mobile Node)作为接入点的若干个无线移动站点。

设置移动节点的数目从10到100,使用ON-OFF模式产生业务。在不同的节点数目下分别采用BEB算法的基本DCF协议和改进的退避算法的基本DCF协议分析和比较两者的吞吐量、传输时延和公平性,仿真参数如表1所示。业务参数如图3和图4所示,ON状态平均持续时间为80s,OFF状态平均时间为0,包到达平均间隔为0.02s,包的平均大小为1024B。

表1 仿真试验参数

3.2 改进的退避算法在有限状态机的关键代码

改进的退避算法在有限状态机的关键代码如下:

图3 ON-OFF业务参数

图4 包配置参数

3.3 仿真结果

图5、图6和图7分别显示了在移动节点数分别为10、20、30、40、50、60、100的情况下,BEB算法和改进的算法在饱和数据量环境下的吞吐量、传输延时和公平性曲线图。从图5和图6可以看出改进的算法在吞吐量和网络延迟都要优于BEB算法。当无线节点从10个增大到100个时,BEB算法中随着负载的增加吞吐量急剧下降,吞吐量从4.2Mbps下降到2.5Mbps,下降了40%;改进后的退避算法从4.3Mbps下降到3.25Mbps,下降了24.5%,在一定程度上降低了冲突概率,减少了数据的碰撞;同时能有效的利用信道,提高信道利用率。从图7可以看出,改进的算法其公平性也要优于BEB算法,由于改进的算法其竞争窗口的变化依照不同的竞争阶段分别进行乘性和线性递减,能以更加合理的概率接入信道,提高了数据流之间的公平性。因此,改进后的算法比BEB算法具有更好的适应性。

图5 吞吐量比较

图6 网络延时比较

图7 公平性比较

[1]王秀芳,魏宇恒,王洋.IEEE802.11 DCF退避机制的一种改进方法 [J].长江大学学报 (自然科学版),2008,5(4):77-79.

[2]Su Xiang,Kang Kai.Mechanism to reduce collision int IEEE802.11DCF[J].Journal of T singhua University(Sci&Tech),2007(47):1180-1184.

[3]陈伟,张剑,黄秋元.IEEE802.11标准MAC性能分析和一种改进方法 [J].通信系统与网络技术,2006(2):12-14.