一种新的无线局域网性能参数的评估和改进

摘要：为提高IEEE 802.11 DCF的性能，该文在现有协议的基础上，该文推导了根据网络中竞争信道的节点数，计算最小竞争窗口的新的最佳值的简单公式。并给出了根据信道竞争信道节点数来动态调整最小竞争窗口的最佳值的自适应算法。该文通过数据成功发送概率和饱和吞吐量等度量来衡量新协议的性能，并利用Markov链PPT-DCF进行数学建模和理论分析，数学分析结果表明，当网络规模发生变化时，新机制在性能上明显优于IEEE802.11。

关键词：IEEE802.11；饱和吞吐量；分组丢弃概率；马尔可夫链模型

中图分类号：TP393.1文献标识码：A文章编号：1009-3044（2012）30-7210-04

1 概述

随着传感、无线通信、嵌入式系统以及微电子等在无线局域网（WLAN）中，无线信道是一种共享和稀缺的资源，有效并且公平地控制无线节点的信道接入成为一个相当复杂的任务。为此，广大研究者付出了大量的努力，提出了许多种MAC 层协议。目前，IEEE 802.11 MAC 协议是WLAN中的标准协议，也几乎用于所有研究WLAN网络性能的测试床和仿真实验中。因此本章将详细探讨802.11 MAC协议中的信道接入机制，并使用一个二维马尔科夫链模型对该机制进行数学建模，得出了用于分析WLAN网络性能的饱和吞吐量，成功发送概率以及一种新的性能参数的计算方法[1]。

2 MAC信道访问机制的研究现状

从IEEE802.11标准制定以来，对DCF性能的分析改进一直是个研究热点[3-5]。，许多文献报告了对DCF的性能仿真和理论分析结果，具体的分析和改进方法可以归纳如下：

2.1 直接改进DCF的退避机制

IEEE802.11 使用二进制指数退避算法（BEB，Binary Exponential Backoff），其简单高效。但却不能有效的适应复杂多变的网络环境，许多文献都做出了大量的研究。

竞争窗口慢速减小算法（SD，Slow CW Decrease）[3]：修改了BEB算法在发送成功后的情况。当站点发送成功后，当前竞争窗口不是减小为最小竞争窗口，而是只将其减为此时窗口大小的一半。节点数较多时，SD算法能一定程度提高系统的饱和吞吐量。

倍数增加线性减小算法（MILD，Multiplicative Increase Decrease）[4]：此算法修改了BEB算法，当发送失败时，并不是作两倍的增加，而是将当前竞争窗口值增加为原来的a倍；当发送成功后也不是直接将当前竞争窗口值减小为最小竞争窗口，而是递减为一个固定值b。实验表明：当网络负载较重时，MILD可使竞争窗口较为平滑的变动，而且其吞吐量优于BEB。

2.2 根据理论模型改进系统参数

文献[6]提出了竞争窗口调节方法，此方法运用到了马尔科夫链模型，需要首先对网络中发包的站点数目进行估计，然后再根据估计的结果来自动调节各自使用的竞争窗口的大小。

目前的改进方案虽然能在一定程度上改进IEEE 802.11 MAC协议的性能，但是在考虑饱和吞吐量的同时，未改进包碰撞概率和站点成功发送概率等其它重要指标。另外改进只是针对某些特定场景，虽在改进场景下，系统性能能得到很好改善，但是可能在另一场景下，性能却大大恶化。

3 IEEE802.11DCF机制的数学模型

为便于分析，这里假设W0为最小竞争窗口值Wmin，Wmax为最大竞争窗口值，i为退避计数器的退避阶段，m为退避计数器的最大退避次数。节点发送分组时在任意退避阶段的竞争窗口值可用公式（1）计算。

在对退避算法进行数学建模之前，本文先做如下假设：

1）信道是理想的，即分组丢失只会是由冲突造成的；

2）网络中每个节点一直处于发送状态，并且数据分组在传输过程产生冲突的概率恒定且独立；

3）系统处于饱和状态，每个节点在成功进行一次分组发射后，立即监听信道，待其退避计数器退至0时马上发送下一分组。

从公式（7）可知：τ的取值由冲突概率p决定，要获得τ就必须先求出冲突概率p。p表示节点在发送分组时产生冲突的概率。在本模型中，分组发生冲突只会是剩余的n-1个节点中至少有一个节点也在同一时隙内发送了分组。因此，可以有以下结论：

4 饱和吞吐量分析

饱和吞吐量定义为无线局域网在稳定状态下所能获得的最大吞吐量。在802.11无线局域网中，当网络负载还比较小的时候，增加网络负载的同时整个网络系统的吞吐量也随之上升，但是当网络负载达到一定程度时，继续增大网络负载反而会导致吞吐量的下降。在增加网络负载的过程中，系统吞吐量的上限就称为饱和吞吐量，而归一化饱和吞吐量定义为饱和吞吐量和信道带宽的比值，也代表局域网所能获得的最大信道利用率。归一化饱和吞吐量反映了媒体访问控制机制的效率，因此可以得出：

2）饱和吞吐量和成功发送概率的分析

由为了更好的提升DCF的性能，文献[13]提出了一种新的性能参数PPT（Product Of Successful Transmission Probability And Saturation Throughput），也就是饱和吞吐量和成功发送概率的乘积，其计算公式如下所示：

5 IEEE802.11协议性能分析与评价

5.1 实验的模拟环境

为验证本文IEEE802.11协议机制的有效性，我们采用数学分析的方法对该协议进行性能仿真比较。

本文在一个单跳的星型网络场景并且节点处于一个能够相互监听的信道区域内进行仿真实验。假设发送节点从10递增至100，我们用Matlab数学分析所采用的系统参数如表1所示，我们假设MAC层上面发送的数据分组大小是恒定的，无线信道的传输速率大小为1Mbps。在本次实验中最后所计算出的饱和吞吐量（s），分组丢弃概率（p）都是利用IEEE802.11基本模型中的相关公式和实验所使用的相关参数进行计算得出的。

图3给出了IEEE802.11机制和新机制在不同站点数目下的饱和吞吐量的变化曲线。从图中可以看出新机制在每一站点的饱和吞吐量都始终高于IEEE802.11算法。并且随着站点数的增加，两种机制的饱和吞吐量表现出下降趋势，这是因为随着站点数目的增加，站点间发送数据包发生的碰撞明显增加，所以导致了饱和吞吐量的下降。但是新算法的下降幅度明显比IEEE802.11算法平缓，这是因为新算法成功加入了发送数据包成功后的一段退避时间，减少了碰撞，因此能很好的提升了网络的整体性能。

图4给出了新机制和IEEE802.11机制在站点数从10递增到100的情况下，站点分组丢弃概率的变化曲线。从图中可以看出新机制在每一站点的分组丢弃概率始终低于IEEE802.11机制。随着站点数的增加，新机制和IEEE802.11机制的分组丢弃概率逐渐上升，这是因为随着站点数目的增加，站点间发送数据包发生的碰撞明显增加。总体而言，本文提出的方法可以增大系统的整体，对提高无线传感器网络的整体性能起到了很好的作用。

6 结束语

在前人研究成果的基础上，针对原来IEEE802.11机制在考虑饱和吞吐量的同时，未改进包碰撞概率和站点成功发送概率等其它重要指标，本文在原来研究的基础上提出一种新的参数机制，实验结果表明：当网络规模发生变化时，新机制在各项性能指标上要明显优于IEEE 802.11机制。

我们下一步的工作将继续深入探讨在中如何提高在负载下无线局域网的综合性能。

参考文献：

[1] S. Pollin，M. Ergen，et al.Performance Analysis of Slotted IEEE 802.15.4 Medium Access Layer[C].Proc. of IEEE GLOBE- COM，San Francisco，CA，USA，2006：1-6.

[2] Zheng J，Lee J M.A comprehensive performance study of IEEE 802.15.4. Sensor Network Operations[C].IEEE press，2006：218-237.

[3] Yang Xiao，Yi Pan.Differentiation， QoS Guarantee， and optimization for real-time traffic over one-hop ad hoc networks[J].IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2005，16（6）：538-549.

[4] 孙利民，李建中.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[5] Yang Xiao.Saturation Performance Metrics of the IEEE 802.11 MAC[C].Proceedings of The IEEE Vehicular Technology Conference.Orlando，Florida，USA， Oct 2003，6-9：145-1457.

[6] Hadzi-Velkov Z，Spasenovski B.Saturation Throughput-Delay Analysis Of IEEE 802.11 DCF In Fading Channel[C].Proceedings of the IEEE ICC’03. Anchorage， Alaska， USA， May，2003，1（1）：121-126.

[7] Jianhua He，Zuoyin Tang，Zongkai Yang，et al.Performance evaluation of distributed access scheme in error-prone channel[C].Proceedings of the IEEE TENCON’02. Beijing， China，2002，2：28-31.