一種基于80211協(xié)議的改進(jìn)接入算法研究及其性能分析教學(xué)教材

一種基于802.11協(xié)議的改進(jìn)接入算法研究及其性能分析

西安電子科技大學(xué)信息科學(xué)研究所.寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室

2003.12.22Presentedby

HongHe

－寬帶無(wú)線數(shù)字通信課程報(bào)告IEEE802.11協(xié)議簡(jiǎn)介、問(wèn)題的提出本研究領(lǐng)域已取得的成果DCC算法的描述EDCC算法結(jié)論內(nèi)容：2IEEE802.11協(xié)議簡(jiǎn)介（Ⅰ）MACProtocols基本:DistributedCoordinationFunction(DCF)CSMA/CAbasedBinaryExponentialBackoffrules可選:PointCoordinationFunction(PCF)

SourceDestDATAACKSourceDEStRTSCTSDATAACKDCF3IEEE802.11Protocol

BackoffAlgorithm

二進(jìn)制指數(shù)退避算法CccsccccccssCWminCWmaxCWtBackOffCounter=INT(Rnd()*CW_Size)

初始化:uni~[0,CW-1]

退避計(jì)數(shù)器非零:decrementedforeachidleslot

零:transmit更新步驟:（BEB算法）4IEEE802.11Protocol存在的問(wèn)題：TheincreaseoftheCW_SIZEisobtainedpayingthecostofacollision.

以一次碰撞為代價(jià)增加碰撞窗口CW_Size的值。Afterasuccessfultransmission,nostateinformatioindicatingtheactualcontentionlevelismaintained.

每次成功發(fā)送以后，并沒(méi)有寄存器記載網(wǎng)絡(luò)最新的擁塞程度。以規(guī)劃自己下一次的發(fā)送動(dòng)作NoalgorithmtoEstimatethestationsnumbersthoseareComplete－ingthecommonradioChannel.

沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的算法來(lái)估算不同時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)中激活站點(diǎn)的數(shù)目，以規(guī)劃自己下一次的發(fā)送動(dòng)作。

6本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)（Ⅰ）GiuseppeBianchetc:文獻(xiàn)[1]

研究了不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷（競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不同）條件下，退避算法的各項(xiàng)參數(shù)（CWmin、CWmax）對(duì)協(xié)議吞吐量的影響。提出了一種提高協(xié)議吞吐率的ACW(AdaptiveContentionWindow)算法。研究表明：（Ⅰ）IEEE802.11協(xié)議中所采用的基本的CSMA/CA接入機(jī)制存在許多問(wèn)題。特別是網(wǎng)絡(luò)的吞吐率嚴(yán)重受限于網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)數(shù)(thenumberofactivestations)以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷（thetotalloadofferedtoth

－esystem）。

（Ⅱ）

提出了通過(guò)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)中競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的方法來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小提高協(xié)議效率的思路，通過(guò)對(duì)ACW算法的仿真，驗(yàn)證了自己的思路。7本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)（Ⅱ）GiuseppeBianchi:(Italy)[6][7]

研究成果：

(1)在有限終端和理想信道的條件下，提出了一個(gè)簡(jiǎn)單、即適于基本接入又適用于RTS/CTS接入模式的分析模型，用于分析IEEE802.11協(xié)議DCF功能的吞吐率。

(2)系統(tǒng)地分析了802.11DCF算法，提出了一個(gè)估計(jì)激活節(jié)點(diǎn)數(shù)目的數(shù)學(xué)公式.(3)驗(yàn)證了在基本接入的條件下，網(wǎng)絡(luò)的性能強(qiáng)烈依賴于網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)參數(shù)：最小競(jìng)爭(zhēng)窗口(CWmin),激活節(jié)點(diǎn)數(shù)目(Number_active_Station).(4)文獻(xiàn)[7]討論了802.11DCF條件下估計(jì)激活節(jié)點(diǎn)數(shù)的算法，通過(guò)對(duì)已有ARMA濾波的思想的分析，提出了一種增強(qiáng)型的ARMA濾波算法：ExtendedKalmanfilterestimate,仿真表明其更能有效得追蹤節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化。8本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)（Ⅱ）FedericoCali.MarcoContietc(Italy)[2][3][4]

提出了一種p-persistentIEEE802.11protocol分析模型。分析推導(dǎo)了能夠使協(xié)議達(dá)到最大吞吐率的競(jìng)爭(zhēng)窗大小.Showthecurrentbinaryexponentialbackoffalgorithmopera

tesfarfromthetheoreticallimit.

表明目前標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中所采用的二進(jìn)制指數(shù)退避使得系統(tǒng)的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論極限值。ProposeanIEEE802.11+protocolthaton-linedynamicallytu

nethecontentionwindow.

提出了一種在線實(shí)時(shí)調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口大小的802.11＋協(xié)議，并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，表明802.11＋協(xié)議能夠很大程度地提高系統(tǒng)的容量。9本人在此領(lǐng)域的研究工作通過(guò)對(duì)寬帶無(wú)線數(shù)字通信課程的學(xué)習(xí)以及大量文獻(xiàn)的閱讀和思考，研究了DCC機(jī)制的性能，在DCC原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種增強(qiáng)型的EDCC算法。選取了一種仿真工具：OPNET來(lái)驗(yàn)證自己的思路，并給出了最后的仿真結(jié)果。

DCC算法的描述主線結(jié)構(gòu)

EDCC機(jī)制的提出10提出DCC機(jī)制的背景：我們知道：對(duì)于一個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，共享無(wú)線資源的浪費(fèi)主要是由于兩方面的原因：

1.輕負(fù)荷條件下，退避過(guò)程中Idle時(shí)隙的引入。

2.重負(fù)荷條件下，碰撞引起的時(shí)隙浪費(fèi)。如何在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化的條件下，實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的現(xiàn)狀，動(dòng)態(tài)調(diào)整自己的發(fā)送退避動(dòng)作？PartTwo：DCC機(jī)制的引入背景研究對(duì)象：DCF，因?yàn)橹挥性贒CF條件下才存在網(wǎng)絡(luò)碰撞和擁塞問(wèn)題采用標(biāo)準(zhǔn)的退避算法時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有任何關(guān)于網(wǎng)絡(luò)中激活節(jié)點(diǎn)數(shù)目的信息，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)業(yè)務(wù)突發(fā)或者網(wǎng)絡(luò)中激活節(jié)點(diǎn)數(shù)逐漸增多時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的吞吐率非常低11DCCMechanism:LucianoBononi,MarcoContietc(Italy)[5]1998每一次連續(xù)的傳輸都會(huì)導(dǎo)致相似的碰撞；沒(méi)有一個(gè)寄存器來(lái)記載或映射當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)程度12DCC：時(shí)隙利用率的估計(jì)：說(shuō)明：網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)移動(dòng)臺(tái)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前開(kāi)啟一個(gè)觀測(cè)窗口，窗口大小為初始化退避窗大小，記錄在此窗口內(nèi)忙時(shí)隙段數(shù)（其它站點(diǎn)企圖發(fā)送的次數(shù)），其與窗口大小的比值即為時(shí)隙利用率。值的有效范圍為：[0,1]0–表明在觀測(cè)窗口能所有的時(shí)隙均為閑1-表明在觀測(cè)窗口能所有的時(shí)隙均為忙13時(shí)隙利用率估計(jì)在DCC中的應(yīng)用結(jié)論：時(shí)隙利用率指標(biāo)實(shí)際上是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)情況（激活節(jié)點(diǎn)數(shù)）的保守估計(jì)，當(dāng)時(shí)隙利用率的值很大時(shí)，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)情況已經(jīng)很嚴(yán)重了。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)數(shù)很少時(shí)（沒(méi)有擁塞發(fā)生時(shí)），時(shí)隙利用率“指示器”并不會(huì)放大當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的競(jìng)爭(zhēng)狀況。這就保證了只要當(dāng)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多或者說(shuō)碰撞達(dá)到一定程度時(shí)，時(shí)隙利用率指標(biāo)才會(huì)激活DCC機(jī)制或者說(shuō)達(dá)到激活DCC機(jī)制的門限值。Num_Busy_Slots++信道當(dāng)發(fā)生擁塞時(shí)，時(shí)隙利用率能夠能夠作為一個(gè)很好的網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)映射指標(biāo)，描述網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)情況，避免了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中各發(fā)送節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷多次碰撞后，才能獲取網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的競(jìng)爭(zhēng)情況。這樣，網(wǎng)絡(luò)的吞吐率在高負(fù)荷或者說(shuō)多節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的條件下吞吐率應(yīng)該會(huì)得到提高。DIFS14DCC機(jī)制：根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，完成接入的過(guò)濾功能。核心思想：15傳輸概率的引入：業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)在獲取網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙利用率以后，應(yīng)該有一個(gè)指標(biāo)能夠動(dòng)態(tài)跟隨時(shí)隙利用率的變化來(lái)決定自己是否向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送此數(shù)據(jù)。由此，DCC引進(jìn)了另一個(gè)映射指標(biāo)：傳輸概率P_T。

為了提高重傳節(jié)點(diǎn)的發(fā)送優(yōu)先級(jí)，我們引入如下傳輸概率的定義：16P_T關(guān)系曲線：在相同時(shí)隙利用率基礎(chǔ)上，重傳次數(shù)越多，傳輸概率越大。17DCC機(jī)制描述：業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送前監(jiān)測(cè)信道的時(shí)隙利用率slot_util。此次的發(fā)送概率Prob_T。Rnd()<Prob_TyesNo在該時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)CW==CWmaxyesNoNum_Attr++CW=CW*218EDCC機(jī)制的引入由于在高負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)中兩次發(fā)送的間隔很短，網(wǎng)絡(luò)中時(shí)隙利用率具有很大的相關(guān)性，而原有的DCC算法并未考慮應(yīng)用時(shí)隙利用率的歷史信息，這勢(shì)必導(dǎo)致對(duì)時(shí)隙利用率的估計(jì)值有較大的偏差，采用ARMA平滑濾波后，對(duì)時(shí)隙利用率的估值更準(zhǔn)確，這樣改進(jìn)后的DCC算法在提高高負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)吞吐率的同時(shí)，將更加有效地降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，而達(dá)到降低移動(dòng)終端能源消耗的目的

引入ARMA平滑處理模型的解釋：19EDCC性能仿真研究仿真假設(shè)：仿真沒(méi)有考慮隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題；認(rèn)為所有的碰撞都是由于節(jié)點(diǎn)選擇了相同的傳輸時(shí)隙，20仿真說(shuō)明：比較參數(shù)：Throughput

和Load

DataRateLongRetryLimitShortRetryLimit11Mbit/s47SlotPhysicalCharacteristicsBufferSize50usDirectSequence256000bitsSIFSCW_MinCW_Max28us15slot1023slotCommunicationRadius300m仿真節(jié)點(diǎn)數(shù)：6521EDCC性能分析：（a）通過(guò)量曲線(b)業(yè)務(wù)量曲線由節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量曲線可知，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議DCF功能進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后最低的業(yè)務(wù)量為55kbit/s原有的DCC算法在三個(gè)場(chǎng)景下進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后最低業(yè)務(wù)量為28kbit/s,而改進(jìn)后的EDCC算法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量分別減少到23kbps同標(biāo)準(zhǔn)的DCF功能相比業(yè)務(wù)量分別減少了58%；同DCC算法相比也減少了17%，這都說(shuō)明了在高負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)中連續(xù)發(fā)送時(shí)隙利用率確實(shí)存在著相關(guān)性，利用這以特性，通過(guò)采用ARMA模型對(duì)時(shí)隙的估計(jì)值行平滑濾波處理，EDCC算法顯著提高了DCC算法的性能。22結(jié)論：

Anadaptiveback-offalgorithmontheMAClayercaneffectively

reducethecollisioninthewirelessnetworkandcanalsosave

powerforwirelessdeviceswithoutharmingtheWLAN

performance.

仿真表明：自適應(yīng)退避算法DCC能夠有效地減小網(wǎng)絡(luò)的碰撞，降低終端的能源消耗。從另一個(gè)角度提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。23參考文獻(xiàn)：

〔1〕:PerformanceEvaluationandEnhancementoftheCSMA/CA MACProtocolfor802.11WirelessLANs,IEEE1996[2]:IEEE802.11Protocol:DesignandPerformanceEvaluationo -fanAdaptiveBackoffMechanism,IEEE2000[3]:DesignandPerformanceEvaluationofanAsymptoticallyOp -timal

Backoff

AlogorithmforIEEE802.11WirelessLANS,Proceedingsofthe33rdHawaiiInternationalConferenceSy-stermSciences[4]:DynamicTu