石春，何書前，鄧正杰

海南師范大學信息科學技術學院，?？?571158

基于IEEE 802.11的非飽和條件自適應接入方案

石春，何書前，鄧正杰

海南師范大學信息科學技術學院，?？?571158

1 引言

無線通信技術已經被廣泛應用到生活各個領域。其中，802.11[1]協(xié)議是應用范圍最廣的標準，其性能主要體現在吞吐量和網絡延遲兩種參數。針對IEEE 802.11的DCF機制（Distributed Coordination Function，分布式協(xié)作功能），通常研究其飽和條件下的理論網絡性能。在WLANs網絡環(huán)境下，Bianchi提出了經典的飽和條件下評估吞吐量性能的算法[2]。文獻[3-4]進一步分析研究了飽和條件下的網絡時延性能。

實際應用中的業(yè)務負載，如：即時數據通信，E-Mail和語音等，通常處于非飽和條件的通信環(huán)境中，兩次數據傳輸之間的間隔時間都比較長（相對于數據傳輸時間）。針對非飽和條件的網絡性能，文獻[5-8]擴展了文獻[2]中狀態(tài)空間模型，增加空閑狀態(tài)描述了非飽和狀態(tài)，利用二維馬爾可夫模型進行DCF性能分析。由于假設隊列長度為空，這些模型均沒有研究隊列長度對分組時延的影響。通過對數據包到達狀態(tài)進行建模，文獻[9-13]分別采用M/M/1，G/G/1和M/G/1/K隊列建模深入分析DCF機制的性能。非飽和條件下，接入算法的可擴展性能受制于信道狀態(tài)的判斷，特別當網絡處于動態(tài)變化狀態(tài)下，會增加接入機制的復雜性，降低網絡性能。

針對WLANs特性，本文從信道狀態(tài)信息（ChannelStatus Information，CSI）與接入參數之間的關系著手，將信道狀態(tài)事件化，分析并建立了兩次數據傳輸之間信道繁忙事件數量與接入參數CW之間的線性關系式，提出了非飽和自適應接入方案ANSAM（Adaptive Non-Saturation Access Mechanism）。在新方案中，節(jié)點根據信道成功傳輸事件或者碰撞事件數量，動態(tài)調整接入參數CW，從而適應動態(tài)網絡變化，降低信道碰撞概率，提高網絡性能。在參數調整過程中，節(jié)點是否處于飽和狀態(tài)并不會影響新方案的接入參數調整策略和網絡性能，從而提高了自適應接入方案的可擴展性能。

2 DCF接入方案退避策略

在IEEE802.11協(xié)議族的發(fā)展過程中，DCF機制一直是解決基于競爭數據傳輸碰撞的重要方式。在DCF接入方案基礎上，協(xié)議族還給出了PCF（Point Coordination Function，點協(xié)作功能）和HCF（Hybrid Coordination Function，混合協(xié)作功能）機制。本章主要研究DCF方案中解決碰撞的核心策略。

在DCF方案中，采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，帶碰撞避免的載波偵聽多址接入）機制解決數據傳輸碰撞問題，其中關鍵內容是BEB（Binary Exponential Backoff，二進制指數退避）算法中調整接入參數CW的規(guī)則。BEB算法包含兩個基本步驟：第一步，設定CW的大小，并在[0，CW]范圍內隨機均勻選擇一個數值作為退避時間計數器初始數值；第二步，當信道空閑時，逐一遞減計數器數值。

例如，節(jié)點A采用BEB算法，當其緩存隊列中有數據需要傳輸時，節(jié)點A首先設置一個初始CW大小，然后在[0，CW]范圍內選擇一個數值作為計數器初始數值。當確定了退避時間計數器后，節(jié)點A監(jiān)測信道的狀態(tài)。假如信道處于忙的狀態(tài)，節(jié)點A則凍結計數器遞減過程；假如信道保持空閑狀態(tài)達到一定時間，節(jié)點A則逐一遞減計數器數值。當計數器數值遞減至’0’時，節(jié)點A開始進行數據傳輸。

傳輸數據后，如果沒有接收到相應應答信號，節(jié)點A判斷數據傳輸過程發(fā)生碰撞。此時，節(jié)點A將倍數增大CW的大小（直至達到CW的最大值（CWmax）），然后在新的[0，CW]范圍內重新選擇退避時間計數器數值，開始計數器遞減過程；如果數據傳輸成功，即節(jié)點A接收到應答信號，則將CW大小重置為最小值(CWmin)。每一次數據傳輸，節(jié)點均重復以上參數調整過程。在BEB算法中，節(jié)點僅依據自身上一次數據傳輸的狀態(tài)進行相應參數調整，因其簡單性而被廣泛使用。雖然進行了信道狀態(tài)的監(jiān)測（信道忙與閑監(jiān)控），節(jié)點并沒有有效利用信道擁塞狀態(tài)信息。單一調整策略和固定競爭窗口大小約束了BEB算法的可擴展性。

2.1 CW調整規(guī)則

如式（1）所示，節(jié)點A當前CW的大小僅依據其上一次數據傳輸的狀態(tài)，監(jiān)測的信道狀態(tài)信息對參數調整并沒有任何作用。第i-1次數據傳輸發(fā)生碰撞，第i次的CW會增大一倍。倍數增大的方式可以有效降低碰撞概率的發(fā)生。當數據傳輸成功后，節(jié)點A會重置CW為最小CWmin。

2.2 CW數值范圍

如式（2）所示，CW數值范圍是固定的，并且運用于所有網絡條件環(huán)境中，比如網絡中只有2個或者200個活動節(jié)點的環(huán)境。

在CW調整規(guī)則中，倍數增加競爭窗口的大小，通常能比較好地降低信道中的碰撞概率。當數據傳輸成功后，重置CW為最小值的方式是增加碰撞概率的主要原因，特別是在網絡中活動節(jié)點個數多的時候，會導致網絡性能的急劇下降[2，14]。采用固定CW取值范圍，當網絡中負載比較少的時候，即使只有一個活動節(jié)點在發(fā)送數據，節(jié)點也必須等待至少CWmin/2個時隙的時間，這樣會降低信道利用率；當網絡中節(jié)點個數較多的時候，比如極端情況，網絡中存在1 024個活動節(jié)點，固定CW范圍的方式不能解決數據傳輸碰撞問題，會極大降低網絡性能[14]。

BEB算法中接入參數的調整策略沒有體現信道狀態(tài)信息，成功傳輸數據后重置CW的方式會增大信道中的碰撞概率；固定CW數值范圍的方式不能很好適應網絡規(guī)模的動態(tài)變化。

因此，新的自適應接入方案需要設計合理的退避策略，降低數據傳輸過程中的碰撞概率。其中，接入參數CW調整規(guī)則和數值范圍均需要結合信道狀態(tài)信息、退避策略才能體現信道擁塞狀態(tài)，具備良好的可擴展性能。

3 自適應接入方案退避策略

在非飽和條件下，節(jié)點的緩存隊列中并非一直有數據排隊等待發(fā)送，而是階段性進行數據傳輸（節(jié)點忙時間小于空閑時間）。假如網絡活動節(jié)點個數較少（＜10個）[2，14]，信道會保持較低的碰撞概率，此時，不同接入機制的退避策略并沒有太大區(qū)別。隨著信道中業(yè)務負載的增加，接入機制采用不同的退避策略，其網絡性能會有很大的差異。業(yè)務負載的增加有兩種方式，第一種是節(jié)點產生數據包間隔時間保持不變，網絡中活動節(jié)點個數增加；第二種是網絡中活動節(jié)點個數保持不變，數據包產生時間間隔縮短。這兩種方式體現了不同節(jié)點產生數據包速率的差異，表現出來的效果是相同的。

在本文分析中，首先分析網絡中活動節(jié)點個數與接入參數CW之間的關系，然后進一步建立CW關于業(yè)務負載的計算方法。采用業(yè)務負載作為參數，可以表示不同節(jié)點產生數據的速率有差異場景，從而可以進一步分析退避策略的適用范圍和可擴展性性能。

3.1 CW與活動節(jié)點個數

基于網絡時延模型[3]，區(qū)別于文獻[2]吞吐量模型，本文給出吞吐量計算模型，計算平均時延內的有效數據包凈荷，即包含所有可能節(jié)點在該時延內傳輸數據包總和，得到總吞吐量S：

其中，p=1-(1-τ)N-1，pS=(N-1)τ(1-τ)N-2。τ表示任一時隙傳輸數據幀概率(τ=2/(CW+1))?？偼掏铝縎（4）是關于接入參數CW和節(jié)點個數N的函數。當網絡中活動節(jié)點數量N確定后，存在一個最佳的CW數值，可以實現最大的網絡總吞吐量。對公式（4）中的總吞吐量S求CW偏導數，令?S/?CW=0，忽略小于或等于(1/CW3)的高階項，得到CW如下：

其中TECS=2TEIFS+2TC-2TSLOT。TEIFS，TC，TSLOT分別表示EIFS（擴展幀間間隔）時間，碰撞時間和任一時隙長度。θ被稱為競爭窗口指標（Contention Window Index，CWI），其數值主要受碰撞時間TC數值的影響。通常，θ取值大于零，可以確定接入參數CW范圍和退避時間計數器取值范圍。

為方便分析和計算，本文選擇具有RTS/CTS預約信道資源的數據交互接入機制，則碰撞時間TC是一個常數。當給定了具體的協(xié)議內容，參數TEIFS和TSLOT由物理層所確定，根據公式（5），存在最佳CWI(θopt)是一個常數。顯然，最佳CW是關于活動節(jié)點數量的線性函數，當確定了活動節(jié)點數量，則可以獲得最優(yōu)的接入參數。與接入參數CW的其他調整規(guī)則比較，公式（5）中接入參數CW調整規(guī)則是關于活動節(jié)點數量的函數，體現了接入參數與網絡規(guī)模的直接關聯，使得接入參數能體現信道擁塞狀態(tài)，從而可以在網絡規(guī)模動態(tài)變化情況下獲得高的吞吐量性能。

3.2 CW和業(yè)務負載

公式（5）分析建立了核心接入參數CW與網絡中活動節(jié)點個數之間的線性關系，只需要給出節(jié)點個數，就可以得到最優(yōu)的接入參數。然而，在無中心接入點的分布式接入方案中（DCF機制等），網絡中的節(jié)點個數判斷是個難題[14]。在非飽和條件下，節(jié)點緩存隊列中并非一直有數據，節(jié)點空閑狀態(tài)時間大于數據傳輸時間；同時，在一段時間內，存在同一節(jié)點發(fā)送多個數據包的情況，因此，活動節(jié)點個數不適合作為反映信道擁塞狀態(tài)的參數。

選擇業(yè)務負載數量建立與接入參數CW之間的關系，在非飽和條件下是一種很好反映信道狀態(tài)信息的方法。采用業(yè)務負載數量，屏蔽了活動節(jié)點的信息，能有效解決同一節(jié)點發(fā)送多個數據包的情況，避免分析判斷網絡中的節(jié)點個數信息。在后續(xù)內容中，首先建立業(yè)務負載數量與接入參數CW之間的關系；然后給出業(yè)務負載數量測量方法，完善整個退避策略。

假設每一個數據包均對應一個活動節(jié)點，可以用業(yè)務負載數量替換公式（5）中活動節(jié)點個數，得到：

其中Nt指網絡業(yè)務負載數量。根據（6），節(jié)點獲知信道中的業(yè)務負載數量，進而確定接入參數CW的數值。

信道中業(yè)務負載數量統(tǒng)計主要來源于信道繁忙狀態(tài)的分析和統(tǒng)計。信道繁忙狀態(tài)包含數據成功傳輸和碰撞兩種狀態(tài)。忽略繁忙信道的長度細節(jié)，假設信道的每一種狀態(tài)為一個事件，分別對應為成功傳輸事件和碰撞事件。采用事件的方式，由于節(jié)點僅需計算信道中所發(fā)生的事件個數，不再統(tǒng)計每種狀態(tài)持續(xù)時間長度，復雜程度得到進一步降低?？梢缘玫絅t計算如下：

其中，NS和NC分別是成功傳輸事件總數和碰撞事件總數。在退避時間計數器遞減過程中，節(jié)點統(tǒng)計NS和NC總數，并根據公式（6）動態(tài)調整接入參數CW。

自適應退避算法測量和計算信道狀態(tài)信息，并結合測量結果動態(tài)調整接入參數，從而有效降低信道碰撞概率，提高網絡性能。

根據公式（7）給出了信道狀態(tài)信息的測量方法，節(jié)點可以調整獲得最優(yōu)的接入參數CW，從而實現了完整的接入機制自適應退避策略。

4 ANSAM接入方案

基于CSI測量方法（7），節(jié)點采用線性調整規(guī)則獲得最優(yōu)的接入參數CW，從而降低信道中碰撞概率，提高了網絡性能?，F對ANSAM接入方案總結如下：

步驟1統(tǒng)計信道狀態(tài)信息。在退避計數器遞減過程中，節(jié)點感知信道狀態(tài)信息。節(jié)點統(tǒng)計信道中數據成功傳輸事件次數以及碰撞事件次數，并根據公式（7）計算得到信道中的總業(yè)務負載數量。

步驟2調整接入參數CW。根據（步驟1）統(tǒng)計業(yè)務負載數值，節(jié)點根據公式（6）調整接入參數CW。然后，節(jié)點在[0，CW]中隨機選擇退避時間計數器數值并開始計數器遞減過程。

步驟3傳輸數據。當計數器數值遞減到0時，節(jié)點發(fā)送RTS幀進行信道預約，并開始數據傳輸。無論數據傳輸成功或者發(fā)生碰撞，通過（步驟1）統(tǒng)計結果，節(jié)點根據公式（6）計算得到新的接入參數CW數值。此步驟中不涉及參數調整。

步驟4轉換狀態(tài)。當數據傳輸成功，緩存中沒有數據，節(jié)點則從激活狀態(tài)轉到空閑狀態(tài)，并保留下次數據傳輸接入參數CW數值。當緩存中有新數據或者數據傳輸發(fā)生碰撞，節(jié)點則轉入（步驟2）開始新一輪的數據傳輸過程。

與文[6-13]自適應接入機制比較，本文提出的ANSAM接入方案保留了DCF方案中的過程和功能，并沒有增加算法的復雜性。通過對數據傳輸狀態(tài)進行事件化處理，不僅能快速監(jiān)測業(yè)務負載數量，還能減少復雜計算導致的能源消耗；基于信道狀態(tài)信息的線性接入參數CW調整規(guī)則，沒有CW范圍約束，并消除了節(jié)點自身數據傳輸狀態(tài)對接入參數調整的影響，進一步提高了接入方案的可擴展性能。

5 仿真與分析

本章使用了OPNET（version 14.5）驗證ANSAM接入方案，并和DCF接入方案進行比較。假設信道處于無噪聲的理想環(huán)境，傳輸碰撞主要來自于兩個或者更多節(jié)點同時進行的數據傳輸。節(jié)點使用RTS/CTS幀進行信道預約機制。節(jié)點個數變化范圍從10個到60個之間。

在仿真實驗中，采用ON-OFF模式形成網絡業(yè)務，產生的數據包時間間隔主要為0.01秒和0.001秒兩種變化，每種仿真運行20秒。表1中列出主要參數。

表1 主要仿真參數

根據表1參數，可以計算得到RTS/CTS機制中最佳CWI(θopt≈10)。進一步得到仿真結果吞吐量圖1和接入時延圖2。

圖1 吞吐量性能

圖2 接入時延性能

如圖1吞吐量性能所示，ANSAM方案的總吞吐量要優(yōu)于DCF方案吞吐量。隨著網絡中活動節(jié)點個數增多，這種優(yōu)勢更明顯。ANSAM方案保持了較高的吞吐量性能，并沒有隨著節(jié)點個數增加而降低吞吐量性能，主要原因在于結合信道狀態(tài)信息自適應調整接入參數，從而保持了較低的碰撞概率保證較高的網絡吞吐量性能。其中，數據包產生間隔為0.01秒的仿真結果吞吐量性能稍低于0.001秒的結果，主要原因是信道空閑時間過長，接入參數更新比較慢。DCF方案隨著節(jié)點個數增加，吞吐量遞減的主要原因是信道中碰撞概率增加。

圖2接入時延仿真結果也進一步驗證了圖1中的分析內容。ANSAM方案的時延數據要低于DCF方案的仿真結果。隨著網絡中節(jié)點個數增加，ANSAM方案接入時延保持了較平穩(wěn)的數值水平。主要因為ANSAM方案采用自適應調整接入參數，信道碰撞概率保持較低的水平，因此，接入時延保持較低的數值范圍。同時，由于非飽和條件，即使網絡中活動節(jié)點個數增加或者產生數據包間隔縮短，都不會對ANSAM方案的網絡性能有太大影響。同樣，由于碰撞概率隨著節(jié)點個數增加，DCF方案的接入時延呈線性增加的趨勢。

DCF方案中的網絡性能隨著活動節(jié)點個數的增加而降低，主要原因之一是接入參數調整策略，成功傳輸數據后重置CW為最小值會極大增加信道中的碰撞概率；之二是固定接入參數范圍，使得接入參數調整無法適應復雜的網絡規(guī)模變化。隨著節(jié)點個數增加（圖1），DCF方案總吞吐量性能減少了10%。文獻[2-3，14]進行了詳細的吞吐量和網絡時延性能分析。

6 結束語

本文提出了非飽和條件下的自適應接入方案。在ANSAM方案中，將信道狀態(tài)進行事件化處理，簡化了信道狀態(tài)信息測量和統(tǒng)計方法；基于信道狀態(tài)信息，采用線性調整接入參數的方式，使得接入機制能更好反映信道擁塞狀態(tài)，解除了接入參數調整對數據傳輸狀態(tài)的依賴和固定接入參數競爭窗口范圍對性能的影響，也進一步提高了算法的可擴展性能。新的接入方案能很好適應網絡動態(tài)變化，有效降低信道碰撞概率，提高網絡性能。

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SHI Chun,HE Shuqian,DENG Zhengjie

School of Information Science and Technology,Hainan Normal University,Haikou 571158,China

How to adapt parameters in non-saturated conditions to dynamic network conditions is a main problem of adaptive access mechanism in WLANs.Based on channel status information,the paper proposes an adaptive non-saturation access mechanism,which presents a linear adjustment rule of access mechanism.By sensing and counting channel busy status,a node adjusts contention window linearly and doesn’t limit the ranges of contention window,which embodies the channel congestion status.The adaptive access mechanism separates the adjustment rule of parameters from the status of data transmissions,which can decrease collision probability of channel and improve network performance.The simulation results demonstrate the validity and good scalability of the proposed access mechanism.

IEEE 802.11;medium access control;non-saturation condition;backoff algorithm;channel status information

調整參數以適應動態(tài)的網絡環(huán)境，提供非飽和條件下的自適應接入方案，是無線局域網通信的研究熱點?；谛诺罓顟B(tài)信息，設計線性調整接入參數規(guī)則，提出非飽和條件自適應接入方案。節(jié)點首先感知并統(tǒng)計信道繁忙狀態(tài)數據，然后采用線性方式調整競爭窗口大小，能有效降低信道碰撞概率，提高網絡性能。方案中接入參數調整體現了信道擁塞狀態(tài)，解除了接入參數調整對于數據傳輸狀態(tài)的依賴，取消了固定競爭窗口范圍對性能的影響。仿真結果進一步驗證算法有效性和良好的可擴展性能。

IEEE 802.11；媒介訪問控制；非飽和條件；退避算法；信道狀態(tài)信息

A

TP391

10.3778/j.issn.1002-8331.1403-0140

SHI Chun,HE Shuqian,DENG Zhengjie.Adaptive access mechanism based on IEEE 802.11 in non-saturated conditions.Computer Engineering and Applications,2014,50（22）：17-21.

國家自然科學基金（No.61362016）；海南省自然科學基金（No.613163，No.613164，No.612122）。

石春（1977—），男，博士，副教授，CCF會員，研究領域為無線通信協(xié)議性能研究，Ad Hoc和WSNs協(xié)議研究；何書前（1978—），男，博士，副教授；鄧正杰（1980—），男，博士，副教授。E-mail：byshichun@126.com

2014-03-12

2014-06-10

1002-8331（2014）22-0017-05

CNKI網絡優(yōu)先出版：2014-06-26,http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3778/j.issn.1002-8331.1403-0140.html