基于最佳竞争窗口的IEEE802.11DCF接入协议改进及性能分析*

何 燕 ， 张红梅 ， 张向利 ， 朱常其

(1.桂林电子科技大学,广西 桂林 541004；2.广东安居宝数码科技股份有限公司，广东 广州 310530；3.航天天绘科技有限公司西安分公司,陕西 西安 710100)

DCF是IEEE802.11MAC中每个节点都必须具有的最基本的接入方式，其主要技术是载波侦听多点接入冲突避免(CSMA/CA)机制及二进制指数退避(BEB)算法。

当节点有数据需要发送时，首先检测信道，如果信道空闲时间大于或等于DIFS，则节点发送数据；否则节点推迟数据发送，执行二进制指数退避：每当信道竞争成功，节点的竞争窗口重置为最小值，每次冲突竞争窗口值加倍，即：

其中，m为最大退避阶数；CWmin和 CWmax由物理层特征决定，分别称为最小竞争窗口和最大竞争窗口。竞争窗口的初始值为CWmin。

针对BEB退避机制中的初始竞争窗口不能随着节点数变化选择其最佳值，目前很多的研究都致力于对DCF的性能的研究和优化[1-5]。其中参考文献[3-5]基于Markov模型[6-7]为不同规模网络确定其最佳竞争窗口，但对于节点中所有数据(第一次退避数据或者冲突重传的数据)退避处理的过程都是完全一样的。因此，本文提出了一个具有不同退避过程的两级退避的接入协议(OCW-DCF),并运用Markov模型对OCW-DCF协议的性能进行了分析。

1 Markov模型描述

OCW-DCF协议的退避机制具有一种竞争窗口和两级不同的退避过程：快速退避(计数器不冻结)和正常退避。其Markov模型如图1所示。除具有冻结状态及信道忙闲概率外，模型还引入了退避判断状态(-1,0)和反映网络数据传输情况的概率pc。

图1 OCW-DCF Markov模型

图1中Markov模型的一步转移概率为：

联合式(3)、式(4)，得一个随机时隙网络中任一节点可能发送数据的概率：

假设网络中有n个节点，则任意时隙节点检测到信道为忙的概率：

至少有一个节点在发送数据的概率：

数据不产生冲突的概率：

发送数据可能产生冲突的概率：

联立式(5)、式(6)、式(9)，当节点数为 n、竞争窗口 W已知时，可求得τ的数值解。

2 Markov模型分析

2.1 网络归一化吞吐量分析

设归一化吞吐量S为信道成功传输MAC数据帧的时间占总传输时间的比值：

其中，Ta为有效MAC数据帧的平均传输时间。一个时隙的实际平均长度由3部分组成：空闲的系统时隙σ；由于成功数据传输而导致信道忙的平均时间Ts；由于传输数据产生冲突而导致信道忙的平均时间Tc。

设 PHY=PHY_hdr,Ta=MAC_hdr+MAC_data,δ为传输延时，DCF有两种信道接入模式：基本接入模式和RTS/CTS接入模式，根据 IEEE802.11协议规范[8]，其 Ts和 Tc分别为：

(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的数值解。

2.2 信道接入延时分析

信道接入延时由退避过程中退避计数器的值递减及冻结所需时间组成：

其中空闲系统时隙σ由物理特性决定，因数据成功传输而检测到信道忙的概率，因数据传输产生冲突而检测到信道忙的概率pb,c=pb-pb,s。

根据图1的Markov模型，状态(-1，0)时，节点不退避：D-1=0；

快速退避阶段，计数器的值不冻结：

表1 仿真参数设置

正常退避阶段，延时由计数器递减延时和冻结两部分组成：

因此平均信道接入延时：

当 n及 W 确定，联合式(14)、式(15)、式(16)可求得不同网络规模下的D的数值解。

2.3 最佳竞争窗口分析

由式(10)中S的表达式进一步得：

由于 Ts、Tc、Ta和σ都是常数，则当：

最大时，式(17)中的S达到最大。

3 仿真分析

假设所有MAC帧都具有固定长度，模型的仿真参数设置如表1所示。

图2～图5分别为不同规模网络下OCW-DCF采用基本接入模式和RTS/CTS的S与W以及D与W的关系。

图2 OCW-DCF采用基本接入模式的S与W的关系

图3 OCW-DCF采用RTS/CTS接入模式的S与W的关系

图4 OCW-DCF采用基本接入模式的D与W的关系

图5 OCW-DCF采用RTS/CS接入模式的D与W的关系

由图2所示，OCW-DCF协议能达到的最大吞吐量比参考文献[3]中m=2时的两级退避下的高，而与DCF/CCW的相同。由图2和图3对比结果知，OCW-DCF采用基本模式的最大归一化吞吐量比RTS/CTS的大。

由图4所示，基本接入模式下，OCW-DCF协议的最小平均信道接入延时远远小于DCF/CCW协议的。从图4和图5的对比结果，OCW-DCF采用基本接入模式的最小延时远远小于RTS/CTS的。

OCW-DCF协议具有非常小的信道平均接入延时，且能根据不同的网络规模及网络数据传输情况确定其最佳竞争窗口。OCW-DCF协议采用基本接入模式的总体性能比RTS/CTS模式的好。

[1]裴冬冬,王兴华,向新.IEEE802.11 DCF退避机制公平性分析与改进[J].电子技术应用，2010,36(10):92-94.

[2]张锋,向新,杨宝强,等.基于 IEEE802.11 DCF的优化竞争窗口算法[J].电子技术应用，2011,37(7)：111-114.

[3]WANG R,ZHANG J,ZOU X.Performance analysis and optimization of IEEE 802.11 DCF with constant contention window[C].ISECS International Colloquium on Computing,Communication,Control,and Management,CCCM,Aug.2008.

[4]Weng Chien-Erh,Chen Chunyin,Chen Chiung-Hsing,et al.Optimal performance study of IEEE 802.11 DCF with contention window[C].International Conference on Broadband and Wireless Computing,Communication and Applications，bwcca,2011:505-508.

[5]Weng Chien-Erh,Chen Chunyin.Performance study of IEEE 802.11 DCF with optimal contention window[C].Sixth International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing,2012:481-484.

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

[7]VARDAKAS J S,POULOS M K,LOGOTHETIS M D.Performance behaviour of IEEE 802.11 distributed coordination function[J].Circuits,Devices&Systems,IET，2008(2):50-59.

[8]MATTBEW S G.802.11无线网络权威指南[M].第 2版.南京：东南大学出版社,2007.