楊榮領(lǐng)

(華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院，廣州 510800)

CSMA/CD是一種分布式介質(zhì)訪問控制協(xié)議，網(wǎng)中的各個站點都能獨立地決定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時，發(fā)送時間增長，發(fā)送效率急劇下降。p－堅持CSMA協(xié)議由CAMA協(xié)議改進(jìn)得到，它應(yīng)用于分槽信道，按照p概率發(fā)送幀。在信道空閑時，欲發(fā)送幀的站以p概率發(fā)送幀，以1－p概率不發(fā)送。若不發(fā)送，下一時槽仍空閑，同理進(jìn)行發(fā)送。若信道忙，則等待下一時槽，若發(fā)送沖突，則等待隨機(jī)的一段時間，重新開始發(fā)送。p－堅持CSMA協(xié)議，是解決互聯(lián)網(wǎng)擁塞問題的技術(shù)之一。p的選擇是p－堅持CSMA協(xié)議應(yīng)用的關(guān)鍵問題，文獻(xiàn)［1］研究表明p對p－堅持CSMA協(xié)議的信道利用率有很大影響，文獻(xiàn) ［2－3］對p－堅持CSMA協(xié)議進(jìn)行建模分析，得出使用固定參數(shù)p難以保證不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的協(xié)議性能，文獻(xiàn)［4］得出p－堅持CSMA協(xié)議的信道利用率達(dá)到最大時p的取值與活動終端個數(shù)等參數(shù)有關(guān)。文獻(xiàn)［5－6］對p動態(tài)適應(yīng)信道的繁閑做了一些研究。本文在以上研究基礎(chǔ)上提出基于極大似然估計的p－堅持CSMA協(xié)議，通過建模分析以及模擬仿真表明，本文的協(xié)議比一般的p－堅持CSMA協(xié)議具有更好的吞吐率性能。

1 基于極大似然估計的p－堅持CSMA協(xié)議模型

與其他p－堅持CSMA協(xié)議相比，本文提出的基于極大似然估計的p－堅持CSMA協(xié)議的主要特點是:在p－堅持CSMA協(xié)議中，終端以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，p值是固定的，而在本文的協(xié)議中，無論是否發(fā)生沖突重傳，概率p作為一個參數(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)擁塞情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，其中p值的確定基于極大似然估計統(tǒng)計理論。當(dāng)有數(shù)據(jù)幀傳輸時，若信道忙，則持續(xù)監(jiān)聽信道直至信道空閑，以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)幀，以概率1－p把發(fā)送推遲到下一時隙，時隙寬度δ。若發(fā)送過程中發(fā)生沖突，自適應(yīng)調(diào)整p的大小，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送推遲隨機(jī)時間t后重新偵聽信道，再次進(jìn)行發(fā)送;若順利發(fā)送數(shù)據(jù)幀，亦自適應(yīng)調(diào)整p的大小，等待下一次數(shù)據(jù)幀發(fā)送。

基于極大似然估計的p－堅持CSMA協(xié)議的流程如圖1所示，理論模型假設(shè)［5］如下:

1)無限終端假設(shè)。無數(shù)終端競爭同一信道，且各個終端數(shù)據(jù)幀等待發(fā)送的數(shù)目服從參數(shù)為λ的Poisson分布，包括新到達(dá)的數(shù)據(jù)幀和重發(fā)的數(shù)據(jù)幀，密度函數(shù)為p(k，λ)，λ平均到達(dá)率，k∈N;

2)平均到達(dá)率λ服從正態(tài)分布 N(μ，σ2)，密度函數(shù)為 φμ，σ(x);

3)任何兩個站點間的傳播延時為τ;

4)數(shù)據(jù)幀長度相等。均為F，且是τ的整數(shù)倍;

5)載波偵聽是實時的，終端在由發(fā)送轉(zhuǎn)為接收不存在轉(zhuǎn)換延時;

6)任何時隙每個站點最多只有一個數(shù)據(jù)幀要發(fā)送;

7)理想信道;

8)數(shù)據(jù)幀任何部分的重疊，都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的破壞，產(chǎn)生沖突，必須重發(fā);

9)發(fā)送沖突加強(qiáng)信號時間J對所有站點都相同;

10)沖突檢測時間可以忽略不計。

設(shè)模型中活動終端 (有數(shù)據(jù)幀待發(fā)的終端，等于整個系統(tǒng)要發(fā)的幀數(shù))的個數(shù)為a，在p－堅持CSMA協(xié)議中對各種p取值的分析［7］表明，當(dāng)p最接近時吞吐率達(dá)到最大，因此對p進(jìn)行取值的時候，最恰當(dāng)?shù)娜≈祽?yīng)該是。設(shè)p0是當(dāng)前p值，由模型假設(shè)2)、極大似然估計以及a的非負(fù)性和正態(tài)分布的3σ原則，得a的估計為，λ服從N(a，)分布。設(shè)為信道不沖突，C為信道沖突，根據(jù)條件概率公式，有

根據(jù)模型假設(shè)條件可得以下計算式子:

2 模型仿真

為了檢驗?zāi)Ｐ偷耐掏滦阅埽瑢Ρ疚幕跇O大似然估計的p－堅持CSMA協(xié)議模型用Matlab進(jìn)行模型仿真，其中吞吐率為S，每幀時平均發(fā)送幀數(shù)為G，初始發(fā)送概率設(shè)為p0=1，傳播延時τ=512 bytes，數(shù)據(jù)幀長度F=16τ，沖突加強(qiáng)信號J=τ，取0≤G≤10，步長0.1。同時，在p－堅持CSMA協(xié)議中，分別對p=1，0.5，0.1，0.01，進(jìn)行了F=16τ，J=τ，τ=512 bytes的模型取0≤G≤10，步長0.1進(jìn)行仿真，以與本文模型進(jìn)行吞吐性能比較。得本文模型自適應(yīng)p協(xié)議和一般的固定p值CSMA協(xié)議平均發(fā)送幀數(shù)G和吞吐率S之間的變化比較關(guān)系，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)p和固定p的CSMA協(xié)議S和G變化關(guān)系圖

3 結(jié)語

圖2的模擬實驗結(jié)果表明，與一般的p－堅持CSMA協(xié)議相比，本文基于極大似然估計的p－堅持CSMA協(xié)議總體上具有更好的吞吐性能，較好的彌補(bǔ)了一般的p－堅持CSMA協(xié)議中只要G值較大，吞吐率就快速下降的缺陷，而且p值的調(diào)整函數(shù)可事先計算存于一個表中，因而協(xié)議比較適合實際應(yīng)用。

協(xié)議指出了改變p值能大幅度提高吞吐率的一種方法，下一步將對這種方法進(jìn)行完善。但模型中假設(shè)任何時隙每個站點最多只有一個數(shù)據(jù)幀要發(fā)送并不總是成立，因此要對模型進(jìn)行改進(jìn)，使得模型更接近實際。

［1］Gallager R G.A Perspective on Multiaccess Channels［J］.IEEE Trans on Information Theory，1985，31(2):124 －142.

［2］Cali F，Conti M，Gregori E.Dynamic Tuning of the IEEE 802.11 Protocol to Achieve a Theoretical Throughput Limit［J］.IEEE/ACM Trans on Networking，2000，8(6):785－799.

［3］Cali F，Conti M，Gregori E.IEEE 802.11 Protocol:Design and Performance Evaluation of an Adapative Backoff Mechanism［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2000，18(9):1774 －1786.

［4］Breno R，Conti M，Gregori E.Optimal Capacity of p-Persistent CSMA Protocols［J］.IEEE Communications Lettes，2003，7(3):139 －141.

［5］毛秀偉.自適應(yīng)p－持續(xù)CSMA/CD介質(zhì)訪問控制策略及計算機(jī)仿真研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2002.

［6］何偉，南敬唱，潘峰.改進(jìn)的動態(tài)p－堅持CSMA協(xié)議［J］.計算機(jī)工程，2010，36(21):118－120.

［7］Andrew S，Tanenbaum.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)［M］.4版.潘愛民，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2004.