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一种基于 802.11 协议的改进接入算法研究及其性能分析

－宽带无线数字通信课程报告. 一种基于 802.11 协议的改进接入算法研究及其性能分析. 西安电子科技大学 信息科学研究所 . 宽带无线网络实验室 200 3 . 12 . 22 Presented by Hong He. 内容：. IEEE 802.11 协议简介、问题的提出 本研究领域已取得的成果 DCC 算法的描述 EDCC 算法 结论. IEEE 802.11 协议简介（ Ⅰ ）. MAC Protocols 基本 : Distributed Coordination Function (DCF) CSMA/CA based

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一种基于 802.11 协议的改进接入算法研究及其性能分析

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  1. －宽带无线数字通信课程报告 一种基于802.11协议的改进接入算法研究及其性能分析 西安电子科技大学 信息科学研究所.宽带无线网络实验室 2003.12.22 Presented byHong He

  2. 内容： • IEEE 802.11 协议简介、问题的提出 • 本研究领域已取得的成果 • DCC 算法的描述 • EDCC 算法 • 结论

  3. IEEE 802.11 协议简介（Ⅰ） • MAC Protocols • 基本: Distributed Coordination Function (DCF) • CSMA/CA based • Binary Exponential Backoff rules • 可选: Point Coordination Function (PCF) DCF RTS CTS DESt DATA Source Source Dest DATA ACK ACK

  4. IEEE 802.11 Protocol Backoff Algorithm • 二进制指数退避算法 （BEB 算法） BackOff Counter = INT(Rnd()*CW_Size) CW CWmax 更新步骤: c c s 初始化: uni~[0,CW-1] 退避计数器非零: decremented for each idle slot 零: transmit s c c c CWmin c c C c s t

  5. 例：RTS/CTS Access Scheme 基于CSMA/CA的接入方式： • CSMA: 传输之前至少要侦听信道空闲时长DIFS • CA: DIFS 时长后随机退避一段时间再发送以避免碰撞 SIFS BO=3 (set) BO=0 BO=5 (set) A BO=15 (set) DIFS RTS DATA DIFS RTS DIFS collision CTS ACK B BO=8 (set) BO=5(resume) BO=10 (set) BO=5 (suspend) BUSY DIFS NAV (RTS) DIFS RTS DIFS Others NAV(CTS)

  6. IEEE 802.11 Protocol 存在的问题： • The increase of the CW_SIZE is obtained paying the cost of a collision. 以一次碰撞为代价增加碰撞窗口CW_Size的值。 • After a successful transmission,no state informatio indicating the actual contention level is maintained. 每次成功发送以后，并没有寄存器记载网络最新的拥塞程度。以 规划自己下一次的发送动作 • No algorithm to Estimate the stations numbers those are Complete－ing the common radio Channel. 没有一个标准化的算法来估算不同时刻网络中激活站点的数目，以规划自己下一次的发送动作。

  7. 本领域的研究热点（Ⅰ） • Giuseppe Bianch etc:文献 [1] 研究了不同网络负荷（竞争节点个数不同）条件下，退避算法的各 项参数（CWmin、CWmax）对协议吞吐量的影响。提出了一种提高协 议吞吐率的ACW( Adaptive Contention Window)算法。 研究表明：（Ⅰ）IEEE 802.11 协议中所采用的基本的CSMA/CA接 入机制存在许多问题。特别是网络的吞吐率严重受限 于网络的竞争节点数(the number of active statio ns)以及网络负荷（the total load offered to th －e system）。 （Ⅱ）提出了通过估计网络中竞争节点个数的方法来 动态调整竞争窗口的大小提高协议效率的思路，通过 对ACW算法的仿真，验证了自己的思路。

  8. 本领域的研究热点（Ⅱ） • Giuseppe Bianchi: (Italy)[6][7] 研究成果： (1) 在有限终端和理想信道的条件下，提出了一个简单、即适于基本接入又适用于RTS/CTS接入模式的分析模型，用于分析IEEE 802.11协议DCF功能的吞吐率。 (2) 系统地分析了802.11 DCF算法，提出了一个估计激活节点数目的数学公式. (3) 验证了在基本接入的条件下，网络的性能强烈依赖于网络的两个参数：最小竞争窗口(CWmin),激活节点数目(Number_active_Station). (4) 文献[7]讨论了802.11 DCF条件下估计激活节点数的算法，通过对已有ARMA滤波的思想的分析，提出了一种增强型的ARMA滤波算法：Extended Kalman filter estimate,仿真表明其更能有效得追踪节点数目的变化。

  9. 本领域的研究热点（Ⅱ） • Federico Cali . Marco Conti etc ( Italy ) [2][3][4] • 提出了一种p-persistent IEEE 802.11 protocol 分析模型。 • 分析推导了能够使协议达到最大吞吐率的竞争窗大小. • Show the current binary exponential backoff algorithm opera tes far from the theoretical limit. 表明目前标准协议中所采用的二进制指数退避使得系统的容 量远远小于理论极限值。 • Propose an IEEE 802.11+ protocol that on-line dynamically tu ne the contention window. 提出了一种在线实时调整竞争窗口大小的802.11＋协议，并进 行了系统仿真，表明802.11＋协议能够很大程度地提高系统的 容量。

  10. 本人在此领域的研究工作 • 通过对宽带无线数字通信课程的学习以及大量文献的阅读和思考，研究了DCC 机制的性能，在DCC原有的基础上进行了改进，提出了一种增强型的EDCC算法。 • 选取了一种仿真工具：OPNET 来验证自己的思路，并给出了最后的仿真结果。 主线结构 • DCC 算法的描述  EDCC机制的提出

  11. Part Two：DCC 机制的引入背景 研究对象： DCF，因为只有在DCF条件下才存在网络碰撞和拥塞问题 • 提出DCC 机制的背景： 我们知道：对于一个WLAN网络来说，共享无线资源的浪费主要是由于两方面的原因： 1.轻负荷条件下，退避过程中Idle时隙的引入。 2.重负荷条件下，碰撞引起的时隙浪费。 如何在网络负荷动态变化的条件下，实现各个节点能够根据当前 网络负荷的现状，动态调整自己的发送退避动作？ 采用标准的退避算法时，网络中各个节点没有任何关于网络中激活节点数目的信息，当网络中出现业务突发或者网络中激活节点数逐渐增多时，网络的吞吐率非常低

  12. DCC Mechanism: 每一次连续的传输都会导致相似的碰撞；没有一个寄存器来记载或映射当前的网络竞争程度 • Luciano Bononi,Marco Conti etc (Italy) [5] 1998

  13. DCC：时隙利用率的估计： 说明：网络中的每一个移动台在发送数据之前开启一个观测窗口，窗口大小 为初始化退避窗大小，记录在此窗口内忙时隙段数（其它站点企图发 送的次数），其与窗口大小的比值即为时隙利用率。值的有效范围 为：[0,1] 0 – 表明在观测窗口能所有的时隙均为闲 1 - 表明在观测窗口能所有的时隙均为忙

  14. 时隙利用率估计在DCC中的应用 Num_Busy_Slots++ 信道 DIFS 结论： 时隙利用率指标实际上是网络内竞争情况（激活节点数）的保守估 计，当时隙利用率的值很大时，说明网络的竞争情况已经很严重了。 • 当网络中竞争节点数很少时（没有拥塞发生时），时隙利用率“指示器”并不会放大当前网络中的竞争状况。这就保证了只要当实际的网络中竞争节点数较多或者说碰撞达到一定程度时，时隙利用率指标才会激活DCC机制或者说达到激活DCC机制的门限值。 • 当发生拥塞时，时隙利用率能够能够作为一个很好的网络竞争映射指标，描述网络的竞争情况，避免了标准协议中各发送节点经历多次碰撞后，才能获取网络当前的竞争情况。这样，网络的吞吐率在高负荷或者说多节点竞争的条件下吞吐率应该会得到提高。

  15. DCC 机制： 核心思想： 根据当前网络的竞争节点数目，完成接入的过滤功能。

  16. 传输概率的引入： • 业务节点在获取网络的时隙利用率以后，应该有一个指标能 够动态跟随时隙利用率的变化来决定自己是否向网络中发送 此数据。由此，DCC引进了另一个映射指标：传输概率P_T。 为了提高重传节点的发送优先级，我们引入如下传输概率的 定义：

  17. P_T关系曲线： 在相同时隙利用率基础上，重传次数越多，传输概率越大。

  18. DCC机制描述： • 业务节点发送前监测信道的时隙利用率slot_util。 • 此次的发送概率Prob_T。 No Rnd () < Prob_T No yes CW== CWmax 在该时隙内发送数据 yes CW = CW*2 Num_Attr ++

  19. EDCC 机制的引入 引入ARMA平滑处理模型的解释： 由于在高负荷网络中两次发送的间隔很短，网络中时隙利用率具有很大的相关性，而原有的DCC算法并未考虑应用时隙利用率的历史信息，这势必导致对时隙利用率的估计值有较大的偏差，采用ARMA平滑滤波后，对时隙利用率的估值更准确，这样改进后的DCC算法在提高高负荷网络吞吐率的同时，将更加有效地降低网络的负荷，而达到降低移动终端能源消耗的目的

  20. EDCC 性能仿真研究 • 仿真假设：仿真没有考虑隐藏节点问题；认为所有的碰撞都是由于节点 选择了相同的传输时隙，

  21. 仿真说明： 仿真节点数：65 比较参数：Throughput和 Load

  22. EDCC 性能分析： 由节点的网络业务量曲线可知，标准协议DCF功能进入稳态后最低的业务量为55 kbit/s原有的DCC算法在三个场景下进入稳态后最低业务量为28 kbit/s,而改进后的EDCC算法进入稳态后网络的业务量分别减少到23kbps同标准的DCF功能相比业务量分别减少了58%；同DCC算法相比也减少了17%，这都说明了在高负荷网络中连续发送时隙利用率确实存在着相关性，利用这以特性，通过采用ARMA模型对时隙的估计值行平滑滤波处理，EDCC算法显著提高了DCC算法的性能。

  23. 结论： • An adaptive back-off algorithm on the MAC layer can effectively reduce the collision in the wireless network and can also save power for wireless devices without harming the WLAN performance. • 仿真表明：自适应退避算法 DCC能够有效地减小网络的碰撞，降低终 端的能源消耗。从另一个角度提高网络的吞吐率。

  24. 参考文献： • 〔1〕:Performance Evaluation and Enhancement of the CSMA/CA MAC Protocol for 802.11 Wireless LANs, IEEE 1996 • [2]: IEEE 802.11 Protocol :Design and Performance Evaluation o -f an Adaptive Backoff Mechanism ,IEEE 2000 • [3]: Design and Performance Evaluation of an Asymptotically Op -timal Backoff Alogorithm for IEEE 802.11 Wireless LANS ,Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference Sy -sterm Sciences • [4]: Dynamic Tuning of the IEEE 802.11 Protocl to Achieve a Ther -etical Throughput Limit IEEE/ACM Transactions on Networking.vol 8.no 6 Dec 2000

  25. 参考文献[Ⅱ]： • 〔5〕: Design and Performance Evaluation of a Distributed Conte -ntion Control Mechanism for IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks. • [6]: Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distrbuted Coordinati -on Function, IEEE JSAC,VOL 18,NO 3 • [7]: Kalman Filter Estimation of the Number of Competing Terminals in an IEEE 802.11 network. IEEE/2003 • [8]: Modified Backoff Algorithms for DFWMAC’s Distributed Coordin -ation Function.

  26. 谢 谢 大 家！

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