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1、一种基于一种基于802.11协议的改进接入协议的改进接入算法研究及其性能分析算法研究及其性能分析 西安电子科技大学西安电子科技大学信息科学研究所信息科学研究所.宽带无线网络实验室宽带无线网络实验室 2003.12.22Presented by Hong He 宽带无无线数数字通信字通信课程程报告告qIEEE 802.11 协议简介、问题的提出q本研究领域已取得的成果qDCC 算法的描述qEDCC 算法 q结论 内容：内容：2IEEE 802.11 协议简介（）qMAC Protocols基本:Distributed Coordination Function(DCF)wCSMA/CA base
2、dwBinary Exponential Backoff rules可选:Point Coordination Function(PCF)SourceSourceDestDestDATAACKSourceSourceDEStDEStRTSCTSDATAACKDCFDCF3IEEE 802.11 Protocol Backoff Algorithm q二二进制指制指数数退避算法退避算法CccsccccccssCWCWminminCWCWmaxmaxCWtBackOffBackOff Counter=Counter=INT(RndINT(Rnd()*()*CW_SizeCW_Size)初始化初始化
3、:uni0,CW-1:uni0,CW-1 退避退避计数数器非零器非零:decremented for each idle decremented for each idle slot slot 零零:transmit:transmit更新步骤更新步骤:（BEB BEB 算法）算法）4例：例：RTS/CTS Access Scheme BUSYRTSCTSNAV(RTS)DATAACKNAV(CTS)RTSRTSSIFSABOthersBO=3(set)BO=8(set)DIFSDIFSDIFSDIFSBO=5(set)BO=5(resume)BO=5(suspend)BO=0collision
4、collisionDIFSDIFSBO=15(set)BO=10(set)基于CSMA/CA的接入方式：nCSMA:传输之前至少要侦听信道空闲时长DIFS nCA:DIFS 时长后随机退避一段时间再发送以避免碰撞5IEEE 802.11 Protocol 存在的存在的问题：qThe increase of the CW_SIZE is obtained paying the cost of a The increase of the CW_SIZE is obtained paying the cost of a collision.collision.以一次碰撞为代价增加碰撞窗口以一次碰撞为
5、代价增加碰撞窗口CW_SizeCW_Size的值的值。qAfter a successful After a successful transmission,notransmission,no state state informatioinformatio indicating the indicating the actual contention level is maintained.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
6、的发送动作规划自己下一次的发送动作qNo algorithm to Estimate the stations numbers those are CompleteNo algorithm to Estimate the stations numbers those are Completeinging the common radio Channel.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。己下一次的发送动作。6本领域的研究热点（本领域
7、的研究热点（）qGiuseppe 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（项参数（CWminCWmin、CWmaxCWmax）对协议吞吐量的影响）对协议吞吐量的影响。提出了一。提出了一种种提高提高协协 议吞吐率议吞吐率的的ACW(Adaptive Contention Window)算法算法。研究表明：（）IEEE 802.11 IEEE 802.11 协议中所采用的基本的协议中所采用的基本的CSMA/CACSMA/CA接接 入机制存在许多问题。特别是网络的吞吐率严重受限入机制
8、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于网络的竞争节点数(the number of active(the number of active statiostatio ns)ns)以及网络负荷（以及网络负荷（the total load offered to the total load offered to thth e systeme system）。）。（）提出了通过估计网络中竞争节点个数的方法来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，通过动态调整竞争窗口的大小提高协议效率的思路，通过 对对ACWACW算法的仿真，验证了自
9、己的思路。算法的仿真，验证了自己的思路。7本领域的研究热点（本领域的研究热点（）qGiuseppe Bianchi:(Italy)67 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
10、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。8本领域的研究热点（本领域的研究热点（）qFederico Cali.Marco Conti etc(Italy)234 1.1.提出了一种提出了一种p-persistent IEEE 802.11 protocol p-persistent IEEE 802.11 protocol 分析模型分析模型。2.2.分析推导了能够使协议达到最大吞吐率的竞争窗大小分析推导了能够使协议达到最大吞吐率的竞争窗大小.3.S
11、how 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。量远远小于理论极限值。1.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提出了一种在线实时调整竞争窗口大小的802.1180
12、2.11协议，并进协议，并进 行了系统仿真，表明行了系统仿真，表明802.11802.11协议能够很大程度地提高系统的协议能够很大程度地提高系统的 容量。容量。9本人在此领域的研究工作q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，研究了考，研究了DCC DCC 机制的性能，在机制的性能，在DCCDCC原有的基础上进行了改进，原有的基础上进行了改进，提出了一种增强型的提出了一种增强型的EDCCEDCC算法算法。q选取了一种仿真工具：选取了一种仿真工具：OPNET 来验证自己的思路，并给出了来验证自己的思路，并给出了最后的仿真结果
13、。最后的仿真结果。%DCC DCC 算法的描述算法的描述主线结构主线结构 EDCCEDCC机制的提出机制的提出10%提出提出DCC DCC 机制的背景：机制的背景：我们知道：对于一个我们知道：对于一个WLANWLAN网络来说，共享无线资源的浪费主要网络来说，共享无线资源的浪费主要是由于两方面的原因：是由于两方面的原因：1.1.轻负荷条件下，退避过程中轻负荷条件下，退避过程中IdleIdle时隙的引入。时隙的引入。2.2.重负荷条件下，碰撞引起的时隙浪费。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
14、当前网络负荷的现状，动态调整自己的发送退避动作？网络负荷的现状，动态调整自己的发送退避动作？Part Two：DCC DCC 机制的引入背景机制的引入背景研究对象研究对象：DCFDCF，因为只有在，因为只有在DCFDCF条件下才存在网络碰撞和拥塞问题条件下才存在网络碰撞和拥塞问题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节点数逐渐增多时，网络的吞吐率非常低11DCC Mechanism:
15、qLuciano Bononi,Marco Conti etc(Italy)5 1998每一次连续的传输都会导致相似的碰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撞；没有一个寄存器来记载或映射当前的网络竞争程度前的网络竞争程度12DCC：时隙利用率的估计：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
16、的有效范围送的次数），其与窗口大小的比值即为时隙利用率。值的有效范围 为：为：0,10,10 0 表明在观测窗口能所有的时隙均为闲表明在观测窗口能所有的时隙均为闲1-1-表明在观测窗口能所有的时隙均为忙表明在观测窗口能所有的时隙均为忙13时隙利用率估计在时隙利用率估计在DCCDCC中的应用中的应用结论：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。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
17、用率当网络中竞争节点数很少时（没有拥塞发生时），时隙利用率“指示指示器器”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DCCDCC机制或者说达到激活机制或者说达到激活DCCDCC机制的门限值。机制的门限值。Num_Busy_SlotsNum_Busy_Slots+信道信道%当发生拥塞时，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，描时隙利用率能够能够作为一个很好的网络竞争映射指
18、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。下吞吐率应该会得到提高。DIFSDIFS14DCC DCC 机制：机制：根据当前网络的竞争节点数根据当前网络的竞争节点数目，完成接入的过滤功能目，完成接入的过滤功能。核心思想：核心思想：15传输概率的引入：传输概率的引入：%业务节点在获取网络的时隙利用率以后，应该有一个指标能业务节点在获取网络的时
19、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，此数据。由此，DCCDCC引进了另一个映射指标：传输概率引进了另一个映射指标：传输概率P_TP_T。为了提高重传节点的发送优先级，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我们引入如下传输概率的 定义：定义：16P_T关系曲线：在相同时隙利用率基础在相同时隙利用率基础上，重传次数越多，传上，重传次数越多，传输概率越大。输概率越大。17DCCDCC机制描述：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
20、率Prob_T。Rnd()Prob_TyesNo在该时隙内发送数据CW=CWmaxyesNoNum_Attr+CW=CW*218EDCC 机制的引入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，而原有的具有很大的相关性，而原有的DCCDCC算法并未考虑应用时隙利用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，采用差，采用ARMAARMA平滑滤波后，对时隙利用率的估值更准确，这样平滑滤波后，对时隙利用率的估值更准确，这样改进后的
21、改进后的DCCDCC算法在提高高负荷网络吞吐率的同时，将更加有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 引入引入ARMAARMA平滑平滑处理模型的解理模型的解释：19EDCC EDCC 性能仿真研究性能仿真研究%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，20仿真说明：比较参数：Throughput 和 Load Data RateLong Retry LimitShort Retry Limit11 Mbit/s47SlotPhysical Ch
22、aracteristicsBuffer Size50 usDirect Sequence256000 bitsSIFSCW_Min CW_Max28us15 slot 1023 slotCommunication Radius 300m仿仿真真节点点数数：656521 EDCC EDCC 性能分析：性能分析：（a）通过量曲线(b)业务量曲线由节点的网络业务量曲线可知，标准协议由节点的网络业务量曲线可知，标准协议DCFDCF功能进入稳态后最低的业务量为功能进入稳态后最低的业务量为55 55 kbit/skbit/s原有的原有的DCCDCC算法在三个场景下进入稳态后最低业务量为算法在三个场景下进入
23、稳态后最低业务量为28 28 kbit/skbit/s,而改进后的而改进后的EDCCEDCC算法进入稳态后网络的业务量分别减少到算法进入稳态后网络的业务量分别减少到23kbps23kbps同标准的同标准的DCFDCF功能相比业务量分别减少了功能相比业务量分别减少了58%58%；同；同DCCDCC算法相比也减少了算法相比也减少了17%17%，这都说明了在，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，通过采用采用ARMAARMA模型对时隙的估计值行平滑滤波处理，模型对时隙的估计值行平滑滤波处理，EDCC
24、EDCC算法显著提高了算法显著提高了DCCDCC算法算法的性能。的性能。22结论：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.仿仿真真表明：自适表明：自适应退避算法退避算法 DCC能能够有效地有效地减减小小网网络的的碰碰撞，降低撞，降低终 端的能源消耗。端
25、的能源消耗。从从另一另一个个角度提高角度提高网网络的的吞吞吐率。吐率。23参考文献：参考文献：,1 1:Performance Evaluation and Enhancement of the CSMA/CA:Performance Evaluation and Enhancement of the CSMA/CAMAC Protocol for 802.11 Wireless LANs,IEEE 1996MAC Protocol for 802.11 Wireless LANs,IEEE 1996,2:IEEE 802.11 Protocol:Design and Performance
26、Evaluation o 2:IEEE 802.11 Protocol:Design and Performance Evaluation o-f an Adaptive-f an Adaptive BackoffBackoff Mechanism,IEEE 2000 Mechanism,IEEE 2000,3:Design and Performance Evaluation of an Asymptotically Op 3:Design and Performance Evaluation of an Asymptotically Op-timaltimal BackoffBackoff
27、 AlogorithmAlogorithm for IEEE 802.11 Wireless LANS for IEEE 802.11 Wireless LANS,Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference,Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference SySy-stermsterm Sciences Sciences,4:Dynamic Tuning of the IEEE 802.11 4:Dynamic Tuning of the IEEE 802.11
28、ProtoclProtocl to Achieve a to Achieve a TherTher-eticaletical Throughput Limit Throughput LimitIEEE/ACM Transactions on IEEE/ACM Transactions on Networking.volNetworking.vol 8.no 6 Dec 2000 8.no 6 Dec 2000 24参考文献参考文献：,5 5:Design and Performance Evaluation of a Distributed Conte:Design and Performan
29、ce Evaluation of a Distributed Conte -ntionntion Control Mechanism for IEEE 802.11 Wireless Local Control Mechanism for IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks.Area Networks.,6:Performance Analysis of the IEEE 802.11 6:Performance Analysis of the IEEE 802.11 DistrbutedDistrbuted CoordinatiCoordinat
30、i-on Function,-on Function,IEEE JSAC,VOL 18,NO 3 IEEE JSAC,VOL 18,NO 3,7:7:KalmanKalman Filter Estimation of the Number of Competing Terminals Filter Estimation of the Number of Competing Terminals in an IEEE 802.11 network.in an IEEE 802.11 network.IEEE/2003 IEEE/2003,8:Modified 8:Modified BackoffBackoff Algorithms for Algorithms for DFWMACsDFWMACs Distributed Distributed CoordinCoordin-ationation Function.Function.25谢谢 谢谢 大大 家！家！26