IEEE 802.11p MAC協議碰撞概率研究與分析

張 旭，田 錦

(1.河海大學 物聯網工程學院，江蘇 常州 213022；2.金陵科技學院 網絡與通信工程學院，江蘇 南京 211169)

IEEE 802.11p MAC協議碰撞概率研究與分析

張 旭1,2，田 錦2

(1.河海大學 物聯網工程學院，江蘇 常州 213022；2.金陵科技學院 網絡與通信工程學院，江蘇 南京 211169)

車載網絡MAC層采用的是IEEE 802.11p/1609.x協議，現有的無線通信MAC協議無法滿足交通信息化產業的需求。目前針對IEEE 802.11p MAC層的研究主要是通過設計馬爾可夫模型進行的，但該模型建模復雜，計算難度大。文中設計了一個簡化直觀的數學模型對該協議進行研究與分析，闡述了IEEE 802.11p MAC層中的EDCA信道接入規范，根據EDCA的信道接入規范設計一個簡化的數學分析模型。在不考慮仲裁幀間隙(AIFS)的前提下，運用該模型對EDCA競爭傳輸機制中四個不同優先級發生第一次傳輸情況下的碰撞概率進行研究。主要分析了不同優先級的不同競爭窗參數以及節點數目對于系統碰撞概率的影響。根據各個優先級的節點數目情況，運用該模型合理設計相應競爭窗的取值，顯著提高了系統的性能。分析結果表明：該模型在研究IEEE 802.11p MAC層性能中有較好的表現。

IEEE 802.11p；EDCA；優先級；碰撞概率

0 引 言

交通問題隨著交通產業的不斷發展日益顯現，交通產業的發展既給人們帶來了發展的機遇，也給人們帶來了巨大的災害。面對所出現的問題，車聯網的建設勢在必行。在交通安全得以保障的前提下，提供優質的交通服務是車聯網建設的關鍵所在。

車載網絡通信MAC協議是IEEE 802.11p/1609.x[1]系列標準，該協議是在IEEE 802.11[2]的基礎上進行擴展，使協議適應車載網絡獨特的分散的環境以及通信節點數、數據傳輸類型的影響。IEEE 802.11a[3]協議對數據沒有進行劃分，所有數據被一視同仁地放在同一個隊列中等待傳送，一些實時性的數據就可能無法立即傳送，而非實時性的數據占用了傳輸信道的傳送時間，降低了信道傳輸的質量以及效率。IEEE組織針對不同業務設置了不同大小的競爭窗(Contention Windows，CW)，在EDCA[4](Enhanced Distributed Channel Access)中規定了四種不同大小的優先級。IEEE 802.11p MAC層采用EDCA接入機制，研究表明，CW值與節點數目設置對EDCA的協議性能影響很大。張俊健等[5]提出了一種新的EDCA自適應退避優化算法，通過NS2對改進后的算法以及經典算法進行仿真分析，發現通過緩慢減少CW值，可以大幅降低信道碰撞率。何晉等[6]基于p-persistent模型提出了RLSBA算法，通過實時偵聽信道狀態，在提高系統吞吐量的同時降低節點間的碰撞概率。分析表明節點密度增加時，沖突概率呈上升的趨勢?，F今大部分對EDCA的研究[7-9]均采用Bianchi G[10]的馬爾可夫模型或者改進的馬爾可夫模型進行。

文中設計了一個簡單的數學模型對EDCA性能進行分析。在EDCA機制中，主要考慮競爭窗口對協議性能的影響，不考慮仲裁幀間隙(Arbitration Inter-Frame Spacing，AIFS)以及重傳機制。先對EDCA中的競爭窗口CW及其相關的退避機制進行簡要概述，然后介紹數學模型，競爭碰撞概率公式，以及多個節點情況下對碰撞概率的分析，最后通過MATLAB對公式進行仿真得出相關數據，分析EDCA機制的性能。

1 IEEE 802.11p協議EDCA工作機制

IEEE 802.11p MAC協議針對不同的傳輸類別設置不同的傳輸參數，即(AIFS，CW)。AIFS為節點的額外等待時間，AIFS的值較小時，適合于AC0和AC1這兩個接入類；AIFS的值較大時，適合于AC2和AC3這兩個接入類。CW為系統進行競爭的等待長度，等待長度的長短對于一個節點是否能夠優先傳輸具有重要意義，不同的優先級有著不同的等待長度。如果兩個傳輸級別同時被允許發送，這就會引起碰撞。EDCA通過虛擬調度[11]，可讓優先級高的傳輸級別先通過。

EDCA中的4種訪問類型(Access Category,AC)為AC_VO(Voice)、AC_VI(Video)、AC_BE(Best effect)和AC_BK(Background)[12]。其中，傳送優先級為AC_VO>AC_VI>AC_BE>AC_BK。EDCA的默認參數值[13]如表1所示。

表1 EDCA的默認參數設置

文中設計了一個簡單的數學模型對EDCA的競爭機制進行分析。由于EDCA中的仲裁幀間隙與競爭窗的窗口大小都是變化的，這樣4個不同優先級的狀態量就極為龐大。文中只研究不同優先級的競爭窗大小對碰撞概率的影響，所以將AIFS的值設置為0，其分析模型如圖1所示。

圖1 競爭窗大小不同的模型(AIFS相同)

2 IEEE 802.11p MAC協議簡單模型和概率分析

2.1 4節點處于4種優先級

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2 推導過程與結果

取優先級AC0>AC1>AC2>AC3的例子進行推導，當AC0>AC1>AC2>AC3時可以得到W0

使用上述設計的模型設置相關的值，以及在該模型下的碰撞概率Pcoll，則先求出4個優先級競爭成功的概率：Pwin0,Pwin1,Pwin2和Pwin3。在這種情況下，可以通過計算得出以下結果：

AC0競爭成功的概率為：

(5)

AC1競爭成功的概率為：

(6)

AC2競爭成功的概率為：

(7)

AC3競爭成功的概率為：

(8)

Pcoll為：

(9)

這種情況只是EDCA競爭窗可能性的一種，接下來將競爭窗所能出現的所有情況全部考慮在內，得出的24種可能性如圖2所示。

圖2 所有優先級取值可能性的結果

2.3 多節點處于不同優先級

由于優先級的可能性有多種，全部考慮的情形的數據量巨大，因此文中取優先級AC0>AC1>AC2>AC3的例子進行推導。當AC0>AC1>AC2>AC3時，可以得到W0

AC0競爭成功的概率為：

(10)

AC1競爭成功的概率為：

(11)

AC2競爭成功的概率為：

(12)

AC3競爭成功的概率為：

(13)

Pcoll的計算同式(9)。

3 性能結果與分析

通過式(9)可以得出在4種競爭窗的節點數均設置為1時的碰撞概率，這樣可以動態地設置不同優先級的競爭窗以降低碰撞概率，從而達到更佳的傳輸效果。式(14)中，首先設置最大競爭窗的值，再設置節點數目，可以更加直觀地觀察節點變化情況下的傳輸效果，碰撞概率越小，傳輸效果越佳。同樣可以固定節點數目，改變最大競爭窗的值，研究該值對系統碰撞概率的影響。

(1)節點數對系統碰撞概率的影響。

依據表2設置最大競爭窗的值的大小[14]。

表2 典型的優先級的取值范圍

如前所述，由于分組排列的可能性太多，這里僅選取兩個節點變化的情況進行分析，其中4種典型情況如圖3所示。橫坐標代表任意兩個優先級的節點數，縱坐標代表系統的碰撞概率。圖3中情況1、3和4的最大競爭窗W0～W3分別設置為7、15、1 023和1 023；圖3中情況2的最大競爭窗W0～W3分別設置為7、63、1 023和1 023。

圖3 節點數目變化與碰撞概率的關系

從圖3中情況1、3和4可以看出，隨著節點數目的增加，系統碰撞概率隨之增加。其中，情況1和情況3分別表示變化節點的最大競爭窗取值相同或者差異較小的情況，對應節點變化時系統碰撞概率增加速度差異較小；而情況4表示變化節點的最大競爭窗取值差異較大的情況，可以看出該情況下當節點數目增加的時候，優先級高的節點系統碰撞概率的增加速度明顯低于優先級低的節點。情況1與情況2比較的是變化節點相同而最大競爭窗取值不同的時候系統的碰撞概率，從圖中可以看出最大競爭窗的窗口值增加時，優先級較高的系統碰撞概率將降低。

通過上述結果可以得出，當節點數目增加時，系統的碰撞概率隨之增加，同時不同優先級節點數目變化時，對系統的碰撞概率的影響程度不同。優先級高的節點數目變化時，對系統的碰撞概率的影響程度較大，優先級低的節點數目變化時，對系統的碰撞概率的影響程度較小。

(2)最大競爭窗對系統碰撞概率的影響。

將4種AC的節點數目均設置為15，4種接入類的最大競爭窗的窗口值設置為數組[CW0，CW1，CW2，CW3]，通過改變數組中的值探究競爭窗對系統碰撞概率的影響，得出的結果如圖4所示。

圖中，情況1將第一優先級的最大競爭窗的值設為1～7，其余優先級的最大競爭窗的值為默認設定。當最大競爭窗的值增加時，系統的碰撞概率降低，變化趨勢較為緩慢。情況2將第二優先級的最大競爭窗的值設為1～63，其余優先級的最大競爭窗的值為默認設定。當最大競爭窗的值增加時，系統的碰撞概率降低，變化趨勢為一開始系統的碰撞概率較快降低，然后保持緩慢變化。情況3、4分別將第三、第四優先級的最大競爭窗的值設置為1～1 023，其余優先級的最大競爭窗的值為默認設定。當最大競爭窗的值增加時，對應的系統碰撞概率的變化情況為，當最大競爭窗的值設置在100以內時，系統的碰撞概率快速降低，當大于100時對應的系統碰撞概率變化緩慢并趨于平穩。

通過上述結果可以得出，當節點數目保持不變時，不同優先級最大競爭窗的值增加時，系統的碰撞概率會降低。但4種情況對系統的碰撞概率影響程度不同，優先級高的最大競爭窗的值變化時，對系統的碰撞概率的影響程度較大，優先級低的最大競爭窗的值變化時，對系統的碰撞概率的影響程度較小。

4 結束語

網絡性能分析是評估網絡優劣的重要方法之一。文中根據EDCA信道接入規范中的指數增加回退機制，在不考慮仲裁幀間隔時，研究協議對于信道接入的影響，提出一種簡化的概率分析模型。該模型運用概率計算公式計算出每個優先級節點發送成功的概率，并推導出系統發生碰撞的概率。通過設計模型中競爭窗的值以及節點數目的值，進一步研究EDCA中競爭窗窗口值及節點數目對系統碰撞概率的影響。

圖4 最大競爭窗與碰撞概率的關系

在實際應用場景中，根據各個優先級的節點數目情況，合理設計相應競爭窗的取值，可以降低系統的碰撞概率，有利于系統性能的提高。在后續研究中，將考慮如何在該模型的基礎上引入重傳機制進行理論研究與分析。

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Investigation and Analysis on Collision Probability of IEEE 802.11p MAC

ZHANG Xu1,2,TIAN Jin2

(1.College of Internet of Things Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,China;2.School of Networks and Telecommunications Engineering,Jinling Institute of Technology,Nanjing 211169,China)

The MAC layer of VANET adopts the IEEE 802.11p/1609.x protocol,and the existing MAC protocol of wireless communication cannot meet the demand of the industry of traffic informatization.The study of IEEE 802.11p MAC is mainly through designing Markov chain model,but it is complex and difficult to calculate.Therefore,a intuitional mathematical model has been designed to research and analyze the mechanism.According to mechanisms of EDCA and on the basis of investigation on EDCA standard,a simplified mathematical analysis model has been designed to analyze the competitive transmission mechanism in EDCA.The investigation focuses on the collision probability of four different priorities in EDCA without consideration of the Arbitration Inter Frame Space (AIFS).The analysis on channel access with more nodes with the proposed model have been conducted after setting parameters of the contention windows of different priorities.The collision probabilities can be reduced and thus the quality of system be improved.Simulation results show that this model has better performance in construction research on the MAC Layer of IEEE 802.11p．

IEEE 802.11p;EDCA;priorities;collision probability

2016-05-15

2016-09-09

時間：2017-02-17

國家自然科學基金資助項目(61375121)；南京市科技計劃(2012ZD003)

張 旭(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為無線網絡MAC協議；田 錦，博士，通信作者，研究方向為認知無線電技術、寬帶無線接入技術、第四代移動通信泛在異構網絡通信理論、智能交通系統與理論。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1634.082.html

TP31

A

1673-629X(2017)03-0012-06

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.003