８０２．１１ ＤＣＦ中的自適應ＲＴＳ門限調整算法

摘 要：通過分析IEEE 802.11 DCF的分組發送過程， 獲得了RTS和基本方式下分組傳輸的時間開銷。給出了以最小化傳輸時間開銷代價為優化目標的最優RTS門限的計算公式。通過對當前信道分組發送的成功概率Ps的預測，實現了最優RTS門限的計算，并給出了一個具體的自適應RTS門限調整算法，使終端能自動調整其RTS門限以達到或接近最優值。仿真表明自適應RTS門限調整算法有效減小了MAC分組傳送的時間開銷，提高了信道的傳輸效率。

關鍵詞：無線局域網; 802.11 DCF; RTS門限; 分組成功傳送概率; 自適應RTS門限調整

中圖分類號：TP301文獻標志碼：A

文章編號：1001—3695(2007)03—0056—03

0 引言

隨著無線通信技術的發展和個人移動通信需求的不斷增長，無線局域網(WLAN)受到業界越來越多的重視。IEEE 802.11工作組主要致力于無線局域網的標準化問題。目前已經提出了無線局域網的媒體訪問控制(MAC)和物理層(PHY)規范。

在802.11中，DCF是基本的接入方式，它盡力而為地提供數據的異步傳送。DCF采用載波偵聽多路接入帶沖突避免的二進制指數隨機回退算法(CSMA/CA)。與固定網不同，無線節點在傳送數據時由于不能同時對信道進行偵聽，因此不再使用帶沖突檢測的CSMA/CD方式訪問信道。作為DCF的補充，802.11 PCF則主要用來提供無沖突的實時業務，但由于PCF需要網絡中存在一個中心接入點，使得網絡不再具有分布式的結構，因此本文主要研究具有分布式特點的802.11 DCF的性能。

在DCF中存在兩種接入技術。缺省時采用基本接入方式，如圖1所示。源節點發送分組后，只有當其正確收到目的節點返回的確認消息(ACK)時才標志發送成功。為了減少無線網絡中的隱藏終端問題，DCF還提供了一種基于RTS/CTS握手的接入方式，圖2所示。在數據分組發送之前，采用RTS/CTS握手獲得信道使用權，目的節點收到數據后發送ACK釋放對信道的占用。由于RTS/CTS消息很短，減少了沖突概率，RTS/CTS方式在數據分組較長的情況下可以大大提高網絡的性能。

已有的文獻大多從飽和吞吐率的角度出發，對802.11 DCF的性能進行分析和提高。文獻[4，5]假設碰撞概率恒定獨立，用解析的方法對802.11 DCF 的性能作了定量分析。文獻[5]分析了基本方式下的網絡飽和吞吐率，及其與相關網絡參數的關系；文獻[4]則對DCF 的基本方式與RTS/CTS方式分別作了分析，得到了兩種方式下的飽和吞吐率表達式，其中也給出了一種計算混合方式網絡吞吐率的方法。然而無線局域網大部分時間是工作在非飽和的情況下，因此有必要研究在非飽和以及飽和情況下通用的性能改進算法。

基于分組單次成功發送持續的時間、單次碰撞持續的時間和當前信道的分組成功傳送概率，本文給出了混合方式下最優RTS門限的計算方法?；谧顑濺TS門限的計算方法提出了一個自適應RTS門限調整算法。仿真結果驗證了本文的理論分析和算法的正確性。

1 自適應RTS門限調整算法

無線終端可以選擇RTS/CTS或基本方式進行分組傳送。RTS門限設定后，當數據分組長度小于RTS門限時，采用基本方式傳送；當分組長度大于RTS門限時，采用RTS方式傳送，這種方式被稱為混合工作方式。由于基本方式和RTS方式的傳送機制有所不同，兩種方式所需花費的時間開銷也有差別。當網絡中分組傳送的成功率很高時，即使DATA分組很長，采用RTS方式所需的時間代價也會高于基本方式（因為傳送RTS/CTS幀會增加時間開銷）；當網絡分組成功傳送率很低時，即使較短的分組（分組長度大于RTS/CTS幀，小于設定的RTS門限），采用RTS方式也會減小分組傳送的時間開銷。因此RTS門限值的設定與當前信道的分組成功傳送率（或失敗概率）有關。在任意確定的分組成功傳輸概率下，對于單純的基本接入方式或RTS/CTS接入方式，傳輸一個數據分組所需花費的時間開銷均是關于數據分組長度L的單調遞增函數，而且兩個函數存在一個交點。這就意味著，對于任意信道競爭強度，存在一個最優的RTS 門限，基于該門限選擇采用基本方式或RTS/CTS方式傳送，可以使得傳送一個數據分組所需的時間最小。

1.1 分組發送成功和失敗的時間開銷

無線節點的能量主要消耗在分組的發送和接收階段，尤其是在分組的發送階段，而分組在緩存和退避階段消耗的能量很小。設單位時間內分組傳送和接收消耗的能量為一常量，則分組傳送所消耗的能量與收發器的工作時間成正比，因此分組傳送的時間開銷(不包括分組的緩存時間和分組在DCF退避階段所等待的時間)成為被關注的重要參數。設R是信道的數據速率，δ是傳播時延，數據包載荷長度為L(Byte)，PHY為IEEE 802.11 DCF中的PLCP 頭，共192 bits，當傳輸速率為1 Mbps時，其對應的時間為192 μs。根據IEEE 802.11 DCF中的定義，單個分組傳送成功或者失敗的時間開銷T可以表示如下（上標rts表示RTS/CTS 方式，上標bas表示基本方式，下標suc表示成功發送，下標con表示失敗的發送）：

為了獲得最優RTS門限，接下來分析分組傳送過程需要的傳輸時間開銷。

1.2 混合方式網絡的最佳RTS門限

表示基本方式下單個分組傳送的總時間開銷的期望，Trts表示RTS/CTS方式下單個分組傳送的總時間開銷的期望。從而可以分別得到基本方式和RTS方式下單個數據分組傳送總時間開銷的期望值：

由式（6）可知，其中的變量只有P_s(注意Pc=1-P_s)，而其他量均為802.11 DCF 定義的常量。因此接下來的工作就是如何獲取信道的分組成功傳送概率P_s。

1.3 當前信道分組發送成功概率的估計

為了獲得最佳的RTS門限Lopt，首先需要估計當前網絡數據分組單次發送的成功概率。

1.3.1 基于記憶加權的預測算法

1.3.2 基于滑動平均的預測算法

每個節點維護一個長度為N的布爾型循環隊列C，設P為循環隊列的指針。初始時P指向隊列中的第一個位置0。當收到的RTS分組中CI字段為0或DATA分組中CI字段為0且SI字段為0時，將P指針當前指向的單元值設為0，同時P指針加1；當收到的RTS中CI字段為1或DATA分組中CI字段為1且SI字段為0時，將P指針當前指向的單元值設為1，然后將P指針加1。當P的值為N-1時，由于我們采用的是長度為N的循環隊列，新的修改將使P指針的值重新變為0。當節點自己成功發送一個數據分組后，將P指針當前指向的單元值設為0，同時P指針加1；當節點自己發送分組沖突后，將P指針當前指向的單元值設為1，同時P指針加1。設C_i表示隊列中的第i個元素，根據式(8)可以預測當前分組傳送的沖突概率P_c和成功概率P_c（假設信道是理想的，所有失敗的發送都是由于碰撞引起）：

1.4 RTS門限的自適應調整算法

基于最佳RTS門限的求解方法，可以設計出一個RTS門限的分布式調整算法，使得網絡中各個終端能夠自動調整其RTS門限到最佳值。一般說來，在一定的信道速率R下，式(7)中的各項系數也就確定了。一旦獲得當前信道發送沖突的概率P_c，從式(7)就可以得到最優RTS門限。下面給出RTS門限分布式調整算法的詳細說明。

(1)如果緩存隊列有分組需要發送，或上次數據發送沖突但是還沒有超過重傳極限M，則跳轉到(2)；如果收到新的RTS或DATA分組(包括偵聽到的發給其他節點的RTS或DATA分組)，則跳轉到(7)；否則系統一直處于等待狀態。

(2)如果DATA分組中的數據長度大于上次計算的RTS門限值Lopt，則采用RTS的傳送方式。如果上次數據分組發送成功則將RTS分組中的CI字段值設為0；否則設為1，并將接下來需要傳送的DATA分組中的SI字段設置為1。如果DATA分組中的數據長度小于上次計算的RTS門限值Lopt，則采用基本方式傳送數據。如果上次數據分組發送成功則將DATA分組中的CI字段值設為0；否則設為1，并將DATA分組中的SI設置為0。

(3)按照現有DCF的退避機制安排本次數據發送，并在退避計數減為0時開始發送數據。

(4)如果本次傳送成功，則將C_i值設為0，否則C_ii值設為1。分組傳送成功指明確收到該分組的ACK；分組傳送失敗則包括CTS（對于RTS方式）和ACK(對于RTS和基本方式)超時。

(5)通過式(10)對沖突概率P_c的值進行預測。

(6)通過式(6)計算新的RTS門限，并重新設定DCF的RTS門限Lopt，然后轉到(1)。

(7)提取收到的RTS或DATA分組中的CI和SI字段值，獲得發送節點的C_i值。如果DATA分組中的SI字段為0或收到的是RTS分組，則轉到(5)；如果DATA分組中的SI字段為1，則轉到(1)

2 仿真分析

仿真采用網絡仿真軟件OPNET 8.1，其中無線局域網802.11 DCF采用的仿真參數如表1所示。物理層采用DSSS，信道的速率R為1Mbps，無線傳輸距離為300m。網絡場景大小為250m×250m的矩形區域，節點數量為20個，編號分別為1—20。當節點處于發送狀態時，分組產生時間服從參數為0.1 s的指數分布，分組長度服從均值為1 024 Bytes的指數分布。 仿真時間為10min， 其中節點1—10始終處于發送狀態；節點11—20分別在0—2min，4—6min和8—10min處于空閑狀態，在2—4min和6—8min處于數據發送狀態。仿真采用基于記憶加權的預測算法對分組發送的成功概率Ps進行預測，α=0.95。

（1）仿真分組傳送的時間開銷。圖3表明，在網絡數據流量較小(10節點發送)的情況下，自適應RTS方法成功傳送一個數據分組所需要的時間開銷明顯低于單純的RTS方法；在數據流量較大(20節點發送)的情況下，自適應RTS方法成功傳送一個數據分組所需要的時間開銷與單純的RTS方法基本相當。圖4表明，在網絡數據流量較小的情況下，自適應RTS方法成功傳送一個數據分組所需要的時間開銷與單純的基本方法大致相當；在數據流量較大的情況下，自適應RTS方法成功傳送一個數據分組所需要的時間開銷明顯低于單純的基本方法。

（2）仿真分組傳送效率。定義分組傳送效率為傳送一個分組所需要的時間開銷（包括重傳分組花費的時間，不包括DCF退避所花時間）與該分組中有效數據載荷傳送需要的時間之比。圖5表明，在網絡數據流量較小時，自適應RTS方法的傳送效率明顯高于單純的RTS方法；在數據流量較大時，自適應RTS方法的傳送效率與單純的RTS方法基本相當。圖6表明，在網絡數據流量較小時，自適應RTS方法的傳送效率與單純的基本方法差不多持平；在數據流量較大時，自適應RTS方法的傳送效率略高于單純的基本方法。

3 結束語

基于分組單次成功發送持續的時間、單次碰撞持續的時間和當前信道分組的成功發送概率，給出了以最小化傳輸時間為目標的最優RTS門限的計算公式。通過估計當前信道數據分組發送的成功概率Ps實現了最優RTS門限的計算。基于該門限的計算方法設計出了一個分布式自適應算法。仿真結果驗證了本文的理論分析和算法的正確性。從分組傳送所需的時間代價和信道的傳送效率兩個方面來看，自適應RTS門限調整算法明顯優于單純的RTS方法或基本方法。

本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。