IEEE 802.11p MAC协议碰撞概率研究与分析

张 旭，田 锦

(1.河海大学 物联网工程学院，江苏 常州 213022；2.金陵科技学院 网络与通信工程学院，江苏 南京 211169)

IEEE 802.11p MAC协议碰撞概率研究与分析

张 旭1,2，田 锦2

(1.河海大学 物联网工程学院，江苏 常州 213022；2.金陵科技学院 网络与通信工程学院，江苏 南京 211169)

车载网络MAC层采用的是IEEE 802.11p/1609.x协议，现有的无线通信MAC协议无法满足交通信息化产业的需求。目前针对IEEE 802.11p MAC层的研究主要是通过设计马尔可夫模型进行的，但该模型建模复杂，计算难度大。文中设计了一个简化直观的数学模型对该协议进行研究与分析，阐述了IEEE 802.11p MAC层中的EDCA信道接入规范，根据EDCA的信道接入规范设计一个简化的数学分析模型。在不考虑仲裁帧间隙(AIFS)的前提下，运用该模型对EDCA竞争传输机制中四个不同优先级发生第一次传输情况下的碰撞概率进行研究。主要分析了不同优先级的不同竞争窗参数以及节点数目对于系统碰撞概率的影响。根据各个优先级的节点数目情况，运用该模型合理设计相应竞争窗的取值，显著提高了系统的性能。分析结果表明：该模型在研究IEEE 802.11p MAC层性能中有较好的表现。

IEEE 802.11p；EDCA；优先级；碰撞概率

0 引 言

交通问题随着交通产业的不断发展日益显现，交通产业的发展既给人们带来了发展的机遇，也给人们带来了巨大的灾害。面对所出现的问题，车联网的建设势在必行。在交通安全得以保障的前提下，提供优质的交通服务是车联网建设的关键所在。

车载网络通信MAC协议是IEEE 802.11p/1609.x[1]系列标准，该协议是在IEEE 802.11[2]的基础上进行扩展，使协议适应车载网络独特的分散的环境以及通信节点数、数据传输类型的影响。IEEE 802.11a[3]协议对数据没有进行划分，所有数据被一视同仁地放在同一个队列中等待传送，一些实时性的数据就可能无法立即传送，而非实时性的数据占用了传输信道的传送时间，降低了信道传输的质量以及效率。IEEE组织针对不同业务设置了不同大小的竞争窗(Contention Windows，CW)，在EDCA[4](Enhanced Distributed Channel Access)中规定了四种不同大小的优先级。IEEE 802.11p MAC层采用EDCA接入机制，研究表明，CW值与节点数目设置对EDCA的协议性能影响很大。张俊健等[5]提出了一种新的EDCA自适应退避优化算法，通过NS2对改进后的算法以及经典算法进行仿真分析，发现通过缓慢减少CW值，可以大幅降低信道碰撞率。何晋等[6]基于p-persistent模型提出了RLSBA算法，通过实时侦听信道状态，在提高系统吞吐量的同时降低节点间的碰撞概率。分析表明节点密度增加时，冲突概率呈上升的趋势。现今大部分对EDCA的研究[7-9]均采用Bianchi G[10]的马尔可夫模型或者改进的马尔可夫模型进行。

文中设计了一个简单的数学模型对EDCA性能进行分析。在EDCA机制中，主要考虑竞争窗口对协议性能的影响，不考虑仲裁帧间隙(Arbitration Inter-Frame Spacing，AIFS)以及重传机制。先对EDCA中的竞争窗口CW及其相关的退避机制进行简要概述，然后介绍数学模型，竞争碰撞概率公式，以及多个节点情况下对碰撞概率的分析，最后通过MATLAB对公式进行仿真得出相关数据，分析EDCA机制的性能。

1 IEEE 802.11p协议EDCA工作机制

IEEE 802.11p MAC协议针对不同的传输类别设置不同的传输参数，即(AIFS，CW)。AIFS为节点的额外等待时间，AIFS的值较小时，适合于AC0和AC1这两个接入类；AIFS的值较大时，适合于AC2和AC3这两个接入类。CW为系统进行竞争的等待长度，等待长度的长短对于一个节点是否能够优先传输具有重要意义，不同的优先级有着不同的等待长度。如果两个传输级别同时被允许发送，这就会引起碰撞。EDCA通过虚拟调度[11]，可让优先级高的传输级别先通过。

EDCA中的4种访问类型(Access Category,AC)为AC_VO(Voice)、AC_VI(Video)、AC_BE(Best effect)和AC_BK(Background)[12]。其中，传送优先级为AC_VO>AC_VI>AC_BE>AC_BK。EDCA的默认参数值[13]如表1所示。

表1 EDCA的默认参数设置

文中设计了一个简单的数学模型对EDCA的竞争机制进行分析。由于EDCA中的仲裁帧间隙与竞争窗的窗口大小都是变化的，这样4个不同优先级的状态量就极为庞大。文中只研究不同优先级的竞争窗大小对碰撞概率的影响，所以将AIFS的值设置为0，其分析模型如图1所示。

图1 竞争窗大小不同的模型(AIFS相同)

2 IEEE 802.11p MAC协议简单模型和概率分析

2.1 4节点处于4种优先级

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2 推导过程与结果

取优先级AC0>AC1>AC2>AC3的例子进行推导，当AC0>AC1>AC2>AC3时可以得到W0

使用上述设计的模型设置相关的值，以及在该模型下的碰撞概率Pcoll，则先求出4个优先级竞争成功的概率：Pwin0,Pwin1,Pwin2和Pwin3。在这种情况下，可以通过计算得出以下结果：

AC0竞争成功的概率为：

(5)

AC1竞争成功的概率为：

(6)

AC2竞争成功的概率为：

(7)

AC3竞争成功的概率为：

(8)

Pcoll为：

(9)

这种情况只是EDCA竞争窗可能性的一种，接下来将竞争窗所能出现的所有情况全部考虑在内，得出的24种可能性如图2所示。

图2 所有优先级取值可能性的结果

2.3 多节点处于不同优先级

由于优先级的可能性有多种，全部考虑的情形的数据量巨大，因此文中取优先级AC0>AC1>AC2>AC3的例子进行推导。当AC0>AC1>AC2>AC3时，可以得到W0

AC0竞争成功的概率为：

(10)

AC1竞争成功的概率为：

(11)

AC2竞争成功的概率为：

(12)

AC3竞争成功的概率为：

(13)

Pcoll的计算同式(9)。

3 性能结果与分析

通过式(9)可以得出在4种竞争窗的节点数均设置为1时的碰撞概率，这样可以动态地设置不同优先级的竞争窗以降低碰撞概率，从而达到更佳的传输效果。式(14)中，首先设置最大竞争窗的值，再设置节点数目，可以更加直观地观察节点变化情况下的传输效果，碰撞概率越小，传输效果越佳。同样可以固定节点数目，改变最大竞争窗的值，研究该值对系统碰撞概率的影响。

(1)节点数对系统碰撞概率的影响。

依据表2设置最大竞争窗的值的大小[14]。

表2 典型的优先级的取值范围

如前所述，由于分组排列的可能性太多，这里仅选取两个节点变化的情况进行分析，其中4种典型情况如图3所示。横坐标代表任意两个优先级的节点数，纵坐标代表系统的碰撞概率。图3中情况1、3和4的最大竞争窗W0～W3分别设置为7、15、1 023和1 023；图3中情况2的最大竞争窗W0～W3分别设置为7、63、1 023和1 023。

图3 节点数目变化与碰撞概率的关系

从图3中情况1、3和4可以看出，随着节点数目的增加，系统碰撞概率随之增加。其中，情况1和情况3分别表示变化节点的最大竞争窗取值相同或者差异较小的情况，对应节点变化时系统碰撞概率增加速度差异较小；而情况4表示变化节点的最大竞争窗取值差异较大的情况，可以看出该情况下当节点数目增加的时候，优先级高的节点系统碰撞概率的增加速度明显低于优先级低的节点。情况1与情况2比较的是变化节点相同而最大竞争窗取值不同的时候系统的碰撞概率，从图中可以看出最大竞争窗的窗口值增加时，优先级较高的系统碰撞概率将降低。

通过上述结果可以得出，当节点数目增加时，系统的碰撞概率随之增加，同时不同优先级节点数目变化时，对系统的碰撞概率的影响程度不同。优先级高的节点数目变化时，对系统的碰撞概率的影响程度较大，优先级低的节点数目变化时，对系统的碰撞概率的影响程度较小。

(2)最大竞争窗对系统碰撞概率的影响。

将4种AC的节点数目均设置为15，4种接入类的最大竞争窗的窗口值设置为数组[CW0，CW1，CW2，CW3]，通过改变数组中的值探究竞争窗对系统碰撞概率的影响，得出的结果如图4所示。

图中，情况1将第一优先级的最大竞争窗的值设为1～7，其余优先级的最大竞争窗的值为默认设定。当最大竞争窗的值增加时，系统的碰撞概率降低，变化趋势较为缓慢。情况2将第二优先级的最大竞争窗的值设为1～63，其余优先级的最大竞争窗的值为默认设定。当最大竞争窗的值增加时，系统的碰撞概率降低，变化趋势为一开始系统的碰撞概率较快降低，然后保持缓慢变化。情况3、4分别将第三、第四优先级的最大竞争窗的值设置为1～1 023，其余优先级的最大竞争窗的值为默认设定。当最大竞争窗的值增加时，对应的系统碰撞概率的变化情况为，当最大竞争窗的值设置在100以内时，系统的碰撞概率快速降低，当大于100时对应的系统碰撞概率变化缓慢并趋于平稳。

通过上述结果可以得出，当节点数目保持不变时，不同优先级最大竞争窗的值增加时，系统的碰撞概率会降低。但4种情况对系统的碰撞概率影响程度不同，优先级高的最大竞争窗的值变化时，对系统的碰撞概率的影响程度较大，优先级低的最大竞争窗的值变化时，对系统的碰撞概率的影响程度较小。

4 结束语

网络性能分析是评估网络优劣的重要方法之一。文中根据EDCA信道接入规范中的指数增加回退机制，在不考虑仲裁帧间隔时，研究协议对于信道接入的影响，提出一种简化的概率分析模型。该模型运用概率计算公式计算出每个优先级节点发送成功的概率，并推导出系统发生碰撞的概率。通过设计模型中竞争窗的值以及节点数目的值，进一步研究EDCA中竞争窗窗口值及节点数目对系统碰撞概率的影响。

图4 最大竞争窗与碰撞概率的关系

在实际应用场景中，根据各个优先级的节点数目情况，合理设计相应竞争窗的取值，可以降低系统的碰撞概率，有利于系统性能的提高。在后续研究中，将考虑如何在该模型的基础上引入重传机制进行理论研究与分析。

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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

时间：2017-02-17

国家自然科学基金资助项目(61375121)；南京市科技计划(2012ZD003)

张 旭(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为无线网络MAC协议；田 锦，博士，通信作者，研究方向为认知无线电技术、宽带无线接入技术、第四代移动通信泛在异构网络通信理论、智能交通系统与理论。

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