最優(yōu)常數競爭窗口對ＷＬＡＮ的性能優(yōu)化研究

（1. 西北工業(yè)大學 航海學院， 西安 710072；2.空軍工程大學 電訊工程學院， 西安 710077；3.西安電子科技大學 綜合業(yè)務網理論及關鍵技術國家重點實驗室， 西安 710071）

摘 要：在IEEE 802.11網絡中可通過監(jiān)控信道獲得系統(tǒng)中競爭節(jié)點數目，而IEEE 802.11DCF協議的設計并沒有利用這一參數。因此，首先分析了在IEEE 802.11DCF中使用常數競爭窗口的可行性，提出了DCF/CCW這一改進協議，并對其進行系統(tǒng)吞吐量和接入時延分析。在此基礎上，提出根據網絡中競爭節(jié)點數目來選擇最優(yōu)常數競爭窗口的optimal-DCF/CCW協議。在optimal-DCF/CCW中，各終端首先利用S-DCF算法估算網絡中競爭節(jié)點的數目，據此選擇所應采用的最優(yōu)常數競爭窗口Wopt的值。仿真表明，與IEEE 802.11DCF相比較，optimal-DCF/CCW優(yōu)化算法能夠顯著提高飽和系統(tǒng)性能。

關鍵詞：無線局域網；IEEE 802.11；分布式協調功能；競爭窗口

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)04-1463-04

Using optimal constant contention window to optimize performance of WLAN

LV Na1，2，XU De-min1，ZOU Xiang-yi3

（1.Marine College， Northwestern Polytechnical University， Xi’an710072， China;2.Institute of Telecommunication Engineering，Air Force Engineering University， Xi’an 710077， China;3.State Key Lab of Integrated Service Networks， Xidian University， Xi’an 710071， China）Abstract:In IEEE 802.11 networks， the number of competing terminals could be estimated through monitor the channel. However， the proposed IEEE 802.11DCF doesn’t utilize this information.Analyzed the feasibility of using constant contention window and proposed hence the DCF/CCW protocol.Based on the performance analyze of DCF/CCW，proposed an optimization algorithm of optimal-DCF/CCW to give the terminals an optimal constant contention window according to the estimated number of competing nodes. In optimal-DCF/CCW， each terminal firstly estimates the number of competing terminals with S-DCF algorithm and then selects its optimal constant contention window. Simulation results show that compare with IEEE802.11DCF， the optimal-DCF/CCW can significantly improve the system saturation performance.

Key words:wireless LAN; IEEE 802.11; distributed coordination function; contention window

IEEE 802.11[1]協議在MAC層有PCF和DCF兩種訪問控制機制。PCF是一種由AP控制的輪詢機制，用于支持無沖突和時延受限的業(yè)務；DCF是一種基于 CSMA/CA的分布式介質訪問機制，它為MAC幀的發(fā)送提供了兩種信道接入模式，即基本接入模式和RTS/CTS模式。

有關DCF性能的研究很多。文獻[2]建立IEEE 802.11 DCF回退機制的馬爾可夫模型，并定量分析了DCF的飽和吞吐量；文獻[3，4]則分別研究了不同幀長度和競爭窗口大小對DCF性能的影響；文獻［5］分析了IEEE 802.11MAC協議性能存在的固有極限，以及造成這種極限的主要因素；文獻[6]中，作者通過對IEEE 802.11a和IEEE 802.11g這兩種協議吞吐量進行比較，指出了BER、幀長度、傳輸速率、信道狀況等因素對系統(tǒng)性能影響的關系。雖然當前對IEEE 802.11MAC協議進行優(yōu)化的技術多種多樣，如文獻[7]利用多天線技術來提高系統(tǒng)吞吐量；但是仍有不少文獻的優(yōu)化策略，集中在DCF中退避窗口的選擇上。如文獻[8]提出在增加競爭窗口時，不要每次翻倍，而是采用一個較小的參數，即所謂的慢增；文獻[9]提出只有在連續(xù)檢測到c次傳輸成功時，才將競爭窗口減半；文獻[10]根據S-DCF算法獲得的網絡中競爭節(jié)點數目，來動態(tài)調整最優(yōu)的最小競爭窗口。

在文獻[10，11]中，均描述了IEEE 802.11網絡中競爭節(jié)點數目的估計算法。這給了一種直覺：能否根據網絡中競爭節(jié)點的數目來直接給定競爭窗口的大小，而不需要像DCF那樣必須在經過MAC幀的多次碰撞后才找到合適的競爭窗口值？因此，本文主要就是對在IEEE 802.11中根據競爭節(jié)點數目來使用常數競爭窗口這一問題進行研究。

1 DCF/CCW性能分析

與IEEE 802.11DCF不同，DCF/CCW的主要思想是去除傳統(tǒng)DCF中的BEB，同時直接給定節(jié)點一個常數競爭窗口值CCW用于進行退避時隙數的選擇。當一個MAC幀到達時，節(jié)點從（0， CWW-1）中直接選取一個隨機數作為退避時隙數，然后開始進入退避規(guī)程。退避規(guī)程與IEEE 802.11DCF中相同，在信道忙的情況下，退避暫停；信道空閑時，退避繼續(xù)。如果發(fā)生碰撞，終端節(jié)點只需從（0， CWW-1）中重新選取一個隨機數作為退避時隙數，而不需要對CCW作任何改變。本章將分析在不同網絡規(guī)模下，DCF/CCW中不同窗口值對網絡系統(tǒng)性能的影響。為方便起見，在不致混淆的情況下，將使用W來代替CCW。

1.1 DCF/CCW中MAC幀發(fā)送概率分析

假定網絡中節(jié)點數目為n，各節(jié)點工作在飽和狀態(tài)下。每一個MAC幀在發(fā)送前都要經歷一段退避時間，退避時間的長度由隨機取自（0， CWW-1）中的退避時隙數決定。令隨機過程b(t)為某一節(jié)點的退避時隙計數器，t和t+1分別為相鄰兩個時隙的開始時刻，b(t)在每一個時隙的開始時刻減1。需要注意，這里的一個時隙，與IEEE 802.11DCF中規(guī)定的時隙長度σ是不同的。因為當信道忙時，各節(jié)點的退避規(guī)程是暫停的，在連續(xù)兩個空閑退避時隙之間，往往包含有MAC幀的發(fā)送過程，因而，該時隙長度往往大于σ。b(t)在下一時刻的取值，只受當前退避狀態(tài)的影響，與此前的退避狀態(tài)無關。同時DCF/CCW中沒有退避級數的概念，每次MAC幀發(fā)送都使用相同的競爭窗口值，所以隨機過程b(t)是一個一維的馬爾可夫過程，如圖1所示。

在DCF/CCW中，不論MAC幀是否為新到達，其退避時隙數都是隨機取自（0，W-1）。也即，重傳限制r只是決定了什么時間丟棄一個MAC幀，而對馬爾可夫模型沒有任何影響。因此，該模型的一步轉移概率為

P{b(t+1)=k|b(t)=k+1}=1;k∈(0，W-2)

P{b(t+1)=k|b(t)=0}=1/W;k∈(0，W-1)(1)

式（1）中：第一個等式說明在任意時隙的開始時刻，退避時隙數減1；第二個等式說明不論MAC幀是否為新到達，其退避時隙數都是隨機取自（0，W-1）中。令

bk=limt→∞P{b(t)=k}；k∈(0，W-1)(2)

為該馬爾可夫鏈的靜態(tài)分布概率。可以得到

bk=[（W-k）/W]b0；k∈(0，W-1)(3)

由此，不難得到

1=W-1k=0bk=

W-1k=0b0×

（W-k）/W=b0W-1k=0(1-k/W)=b0×（W+1）/2(4)

當b(t)減為0時，MAC幀可以發(fā)送。因此任意時隙MAC幀發(fā)送概率為

τ=b0=2/（W+1）(5)

1.2 DCF/CCW吞吐量分析

考慮到n個節(jié)點競爭信道，每一個節(jié)點都以概率τ發(fā)送數據，則任意時隙信道空閑的概率Pi為

Pi=(1-τ)n(6)

取Pt為在該時隙中至少有一個節(jié)點要發(fā)送MAC幀的概率，根據式（6）可得

Pt=1-Pi=1-(1-τ)n(7)

只有當該時隙中有且只有一個節(jié)點發(fā)送MAC幀時，該MAC幀才可以發(fā)送成功（這里暫時不考慮信道物理特性造成的MAC幀丟失問題）。因此，在該時隙中，MAC幀成功發(fā)送的概率為

Ps=nτ(1-τ)n-1/Pt=nτ(1-τ)n-1/[1-(1-τ)n](8)

相應地，該時隙中MAC幀發(fā)送失敗（碰撞）的概率為

Pc=1-Ps=[1-(1-τ)n-nτ(1-τ)n-1]/[1-(1-τ)n](9)

定義歸一化吞吐量S為一段時間內信道被占用，且用于成功傳送MAC幀的時間所占總時間的比例。據以上分析，S可表示為

S=Tp×Ps×Pt/（Ts×Ps×Pt+Tc×Pc×Pt+σ×Pi）(10)

式（10）中：Ts成功發(fā)送MAC幀時，信道為忙的平均時間；Tc是MAC幀發(fā)送失敗（碰撞）時，信道為忙的平均時間；Tp是MAC幀成功發(fā)送時，用于發(fā)送MAC幀的平均時間；σ是空閑時隙的長度。式（10）對基本接入模式和RTS/CTS接入模式都是有效的，但為了節(jié)省篇幅，本文僅就基本接入模式進行分析研究。

在基本接入模式下，作如下定義：TPHY為PHY頭傳輸時間與傳播時延δ的總和；TACK為傳輸ACK幀所用的時間。此時，Ts和Tc可以表示為

Ts=TPHY+Tp+SIFS+TPHY+TACK+DIFS

Tc=TPHY+Tp+DIFS(11)

假設MAC數據幀為固定幀長，根據式（5），取表1中的數據，可以得到DCF/CCW中系統(tǒng)歸一化吞吐量S和競爭窗口CCW之間的對應關系，如圖2所示。

表1 性能分析所用參數

參數值參數值

信道速率1 MbpsTPHY192 μs+1 μs

時隙長度20 μsMAC幀長1 024 Byte

SIFS10 μsACK幀長14 Byte

DIFS50 μs重傳極限7

傳播時延1 μs

從圖2可以看出，當網絡規(guī)模不變時，伴隨W值從1增加到1 000，系統(tǒng)歸一化吞吐量S先是迅速增加，然后逐漸減少；網絡規(guī)模較小時系統(tǒng)吞吐量在達到峰值后下降得更快；同時，較大規(guī)模網絡的吞吐量在到達峰值之前增加較慢。值得注意的是，不同網絡規(guī)模下最大系統(tǒng)吞吐量卻幾乎相同，如表2所示。可知，如果各節(jié)點能夠根據網絡規(guī)模選擇適合的競爭窗口，就可以最大化系統(tǒng)吞吐量。這也正是下節(jié)中OPTIMAL-DCF/CCW優(yōu)化算法的主要思想。

表2 不同規(guī)模網絡的最大理論吞吐量及對應最優(yōu)競爭窗口

網絡規(guī)模最大吞吐量最優(yōu)競爭窗口

n=50.883 3133

n=100.880 2282

n=150.879 2420

n=200.878 7579

1.3 DCF/CCW時延分析

首先作如下定義：

接入時延（access delay， AD）是節(jié)點為發(fā)送一個MAC幀而競爭信道的整個時間過程，即從開始進行信道競爭到競爭成功所經歷的時間總和。

要計算AD，先要得到平均時隙長度

d=Pt×(Ts×Ps+Tc×Pc)+Pi×σ(12)

當節(jié)點有MAC幀要發(fā)送時，即在（0，W-1）中隨機選取一個整數作為退避時隙數，并開始退避規(guī)程。當退避時隙數減為零時，MAC幀被發(fā)送出去。如果該MAC幀在第一次發(fā)送時就成功，此時的平均信道接入時延為

D1=E[backof_fslots]×d=[（W-1）/2][Pt×(Ts×Ps+Tc×Pc)+Pi×σ](13)

在DCF/CCW中，競爭窗口的大小是固定的，故每一次發(fā)送所需要的平均AD值都是相同的。如果一個MAC幀經過i次發(fā)送才成功，則其總平均AD值為

Di=i×D1=[(W-1)×i/2][Pt×(Ts×Ps+Tc×Pc)+Pi×σ](14)

考慮重傳限制r，則MAC幀的系統(tǒng)平均AD值為

D=E[Di]=ri=1Di×Pi-1c(1-Pc)=D1(1-Pc)ri=1i×Pi-1c(15)

利用表1中的數據，可以得到系統(tǒng)平均AD與競爭窗口值之間的關系，如圖3所示。

從圖3中可以看出，對應不同規(guī)模的網絡，其系統(tǒng)平均AD值差異很大。但是對給定的網絡規(guī)模，當競爭窗口值大于競爭節(jié)點數目后，系統(tǒng)平均AD值增加非常緩慢。

2 Optimal-DCF/CCW算法描述

經過上面的分析，可以看到在給定網絡規(guī)模下，競爭窗口的大小對系統(tǒng)平均接入時延的影響較小，但是系統(tǒng)吞吐量受競爭窗口大小的影響卻很明顯。同時上一章已經提到，對應不同網絡規(guī)模，最大系統(tǒng)吞吐量卻幾乎相同。因此，本章中optimal-DCF/CCW優(yōu)化算法的主要目的，就是選取最優(yōu)競爭窗口以最大化系統(tǒng)吞吐量。

將式（10）重新整理為

S=Tp/{Ts-Tc+σ×{Tc/σ[1-(1-τ)n]+(1-τ）n}/nτ(1-τ)n-1}

(16)

根據表1，Ts、Tc、Tp和σ都為常數，要使S最大化，也即使

nτ(1-τ)n-1/{Tc/σ[1-(1-τ)n]+(1-τ)n}

=nτ(1-τ)n-1/{Tc/σ-[(1-τ)n(T c/σ-1)]}(17)

最大化。上式對τ微分并令其值為零，經簡化，可得

τ=（[n+2(n-1)(Tc/σ-1)]/n-1）/[(n-1)(Tc/σ-1)]≈1/n×2σ/Tc(18)

聯系式（5）就得到了最大化DCF/CCW系統(tǒng)吞吐量的最優(yōu)常數競爭窗口值為

Wopt=n×2Tc/σ-1(19)

由此可見，如果各節(jié)點已經得知當前網絡中存在的競爭節(jié)點數目，就很容易根據上式得到所應采用的最佳競爭窗口。

現在來對optimal-DCF/CCW優(yōu)化算法作詳細描述：

a）各節(jié)點估算當前網絡中競爭節(jié)點的數目（如利用文獻[10]中的S-DCF算法）。

b）根據估算得到的競爭節(jié)點數目和式（19），來計算此時終端節(jié)點應該采用的最優(yōu)常數競爭窗口Wopt。當網絡規(guī)模發(fā)生變化時，該Wopt也相應進行調整。

c）在optimal-DCF/CCW中，不需要BEB。如果節(jié)點有MAC幀發(fā)送時，它在（0， Wopt-1）中隨機選取一個整數作為退避時隙數。只有當退避時隙數減為零時，該MAC幀才可發(fā)送。

d）optimal-DCF/CCW中的退避規(guī)程與IEEE 802.11中的退避規(guī)程完全一樣，即當信道空閑時，退避時隙數每時隙減1；當信道繁忙時，退避暫停，一旦信道重新開始空閑，退避繼續(xù)進行。只有當退避時隙數減為零時，MAC幀才被發(fā)送出去。

e）如果發(fā)生碰撞，節(jié)點在（0，Wopt-1）中重新隨機選取一個整數作為新的退避時隙數，然后重新開始一個退避規(guī)程，以重新發(fā)送該MAC幀。

從上面的描述可以看到，optimal-DCF/CCW主要在兩方面對IEEE 802.11作出了改進：

a)在optimal-DCF/CCW中，各節(jié)點能夠根據網絡狀況直接選取一個最優(yōu)的常數競爭窗口值；而在IEEE 802.11中，節(jié)點必須經歷MAC幀的多次碰撞后才能得到一個合適的窗口值。

b）在IEEE 802.11中，一旦MAC幀成功發(fā)送，競爭窗口立刻減小為一個與PHY技術相關的固定值CWmin；當發(fā)送下一個MAC幀時，又得重新通過碰撞選取合適的競爭窗口。然而在optimal-DCF/CCW中，最優(yōu)常數競爭窗口的取值，與網絡規(guī)模有關，網絡規(guī)模不發(fā)生變化，則Wopt不改變，這可以保證MAC幀始終以最優(yōu)競爭窗口參與信道競爭。

與IEEE 802.11DCF相比，optimal-DCF/CCW優(yōu)化算法中的Wopt能夠避免大量潛在碰撞的發(fā)生，而這正是提高IEEE 802.11DCF性能的關鍵所在。

3 性能仿真

為了驗證optimal-DCF/CCW優(yōu)化算法的性能，使用OPNET進行仿真驗證。仿真模型設定為一個覆蓋范圍為100 m×100 m的無線Ad hoc網絡。開始時刻有5個節(jié)點參與競爭，之后每30 s新增加5個競爭節(jié)點；到120 s時刻，網絡中存在25個競爭節(jié)點；然后從15 s時刻開始，每30 s減少5個節(jié)點；直到270 s時刻仿真結束。為了簡化起見，不考慮隱藏終端的存在。各節(jié)點均工作在基本接入模式下，并處于飽和狀態(tài)。其他參數如表1所示。

圖4是系統(tǒng)飽和吞吐量的比較曲線。可以看到，隨著網絡中競爭節(jié)點數目的增加，IEEE 802.11的系統(tǒng)吞吐量迅速下降，這是因為競爭節(jié)點數目的增加導致了系統(tǒng)碰撞概率的增加。但是在optimal-DCF/CCW中，優(yōu)化選擇的CCW能夠顯著減少MAC幀的碰撞，因此，即使在網絡規(guī)模較大的情況下，optimal-DCF/CCW優(yōu)化算法中的系統(tǒng)吞吐量也沒有明顯減小。優(yōu)化后的系統(tǒng)規(guī)一化飽和吞吐量始終維持在0.86的水平，這接近了表2中的理論極限。當然，當網絡規(guī)模較大時，optimal-DCF/CCW優(yōu)化算法的性能改進體現得更為明顯。例如，在120～150 s，也就是當競爭節(jié)點數目為25時，優(yōu)化后的系統(tǒng)吞吐量大約比IEEE 802.11DCF提高了28％。

圖5是系統(tǒng)接入時延性能的比較。盡管在optimal-DCF/CCW中，優(yōu)化的CCW是以最大化系統(tǒng)吞吐量為目的推導出來的，但是從圖中可以看出，系統(tǒng)接入時延性能也得到了顯著的改善。這是因為優(yōu)化選擇的CCW避免了大量潛在的碰撞，因而也就降低了式（15）中的MAC幀碰撞概率Pc。同時，從圖5中還可以得到這樣一個結論，即經過優(yōu)化的接入時延抖動比IEEE 802.11的接入時延抖動平緩許多，尤其是當網絡規(guī)模較大時。

4 結束語

經過分析以及仿真驗證，optimal-DCF/CCW優(yōu)化算法能夠顯著降低網絡中MAC幀碰撞概率，繼而提高飽和系統(tǒng)吞吐量，減小接入時延。該算法具有實現簡便，與目前IEEE 802.11協議兼容性好，改進效果明顯等優(yōu)點，因而具有很強的實用價值。當然，optimal-DCF/CCW還有很多可待研究的地方，比如在實現最優(yōu)常數競爭窗口的基礎上進行QoS和公平性研究，這是下一步將要進行的工作。

參考文獻：

［1］ANSI/IEEE 802.11—1999， Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specification[S].2003.

[2]BIANCHI G.Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2000，18(3):535-547.

[3]CHEN Hong-yuan，LI Yan-da.Performance model of IEEE 802.11 DCF with variable packet length[J].IEEE Communication Letters，2004，8(3):186-188.

[4]KHALAJ A，YAZDANI N，RAHGOZAR M. The effect of decreasing CW size on performance IEEE 802.11 DCF[C]//Proc of the 13rd IEEE International Conference on Networks.Kuala Lumpur， Malaysia:[s.n.]，2005:521-525.

［5］WANG Shao-cheng，HELMY A.Performance limits and analysis of contention-based IEEE 802.11 MAC[C]//Proc of the 31st IEEE Conference on Local Computer Networks.Tampa， FL:[s.n.]，2006:418-425.

[6]MAHASUKHON P，HEMPEL M，SONG C，et al.Comparison of throughput performance for the IEEE 802.11a and 802.11g[C]//Proc ofInternational Conference on Advanced Information Networking and Application.Niagara Falls， ON:[s.n.]，2007:792-799.

[7]LEE J H，LEE S，PARK S C.Throughput enhancement of IEEE 802.11 MAC by antenna selection for IEEE 802.11a devices[C]//Proc ofthe 9th International Conference on Advanced Communication Technology.Gangwon-Do， South Korea:[s.n.]，2007:1732-1733.

[8]KRISHNA C R，CHAKRATARTI S，DATTA D.A modified backoff algorithm for IEEE 802.11 DCF-based MAC protocol in a mobile Ad hoc network[C]//Proc of IEEE Region 10 Conference.Chiang Mai， Thailand:[s.n.]，2004:664-667.

[9]WANG Chong-gang， LI Bo，LI Le-min.A new collision resolution mechanism to enhance the performance of IEEE 802.11 DCF[J].IEEE Trans on Vehicular Technology，2004，53(4):1235-1246.

[10]ZOU Xiang-yi，GAO Jie，ZHAO Li-qiang，et al.Adaptive optimization of IEEE 802.11 DCF based on an accurately estimated number[C]//Proc of Future Telecommunication Conference.Beijing:[s.n.]，2007:327-331.

[11]BIANCHI G，TINNIRELLO I.Kalman filter estimation of the number of competing terminals in an IEEE 802.11 network[C]//Proc of IEEE INFOCOM.San Francisco， CA:[s.n.]，2003:844-852.