基于最優(yōu)競爭窗口和活動節(jié)點個數(shù)關(guān)系的分析與研究

周冠華

（廣州華立科技職業(yè)學(xué)院，廣州511325）

1 研究內(nèi)容

針對節(jié)點個數(shù)（業(yè)務(wù)負(fù)載）變化以及不同QoS服務(wù)質(zhì)量需求所導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)總吞吐量和相對公平性性能下降的問題，本項目主要研究基于最優(yōu)競爭窗口的分布式自適應(yīng)接入機(jī)制。新方案研究內(nèi)容包括信道狀態(tài)信息測量方法、網(wǎng)絡(luò)基本信息預(yù)測算法和基于最優(yōu)競爭窗口的數(shù)據(jù)幀長度分布規(guī)律和數(shù)據(jù)交互模式等內(nèi)容。

1.1 信道狀態(tài)反饋信息的獲取和修正

為了獲得好的網(wǎng)絡(luò)性能，在分布式自適應(yīng)接入機(jī)制中，節(jié)點首先需要獲取信道中的狀態(tài)信息，例如，碰撞概率、信道使用效率或者空閑時隙間隔等信息。根據(jù)獲得的信道狀態(tài)反饋信息，節(jié)點進(jìn)一步判斷當(dāng)前信道的使用狀態(tài)，然后調(diào)整相應(yīng)的接入?yún)?shù)，進(jìn)而以一種隱式的方式和網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點協(xié)調(diào)合作。在分布式自適應(yīng)接入機(jī)制中，由于沒有中心接入點（AP點）的協(xié)調(diào)，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點均需要獨立監(jiān)測并分析判斷信道狀態(tài)信息。信道狀態(tài)反饋信息有兩個關(guān)鍵作用：第一是體現(xiàn)信道使用效率信息；第二是節(jié)點作為調(diào)整接入?yún)?shù)的依據(jù)，而且是唯一的依據(jù)。通常情況下，節(jié)點在競爭窗口內(nèi)選擇退避時隙計數(shù)器，在其退避過程中觀測信道狀態(tài)，因此，采用小競爭窗口的節(jié)點會多次接入信道并會使得采用大競爭窗口的節(jié)點錯誤計算信道狀態(tài)信息。

因為每個節(jié)點的接入?yún)?shù)（競爭窗口）并不完全一致，特別在支持QoS服務(wù)質(zhì)量需求的網(wǎng)絡(luò)中（不同接入類別使用競爭窗口不同），節(jié)點所獲測量的結(jié)果會存在差異，從而會對信道狀態(tài)信息的監(jiān)測產(chǎn)生一定的誤差，這種誤差也會體現(xiàn)在信道狀態(tài)反饋信息中?，F(xiàn)有的分布式自適應(yīng)優(yōu)化方案沒有提出任何相關(guān)的方法來修改完善反饋信息，會使得誤差累積，并會造成誤差的不可收斂，從而導(dǎo)致公平性性能的急劇下降。

新方案對信道狀態(tài)反饋信息進(jìn)行優(yōu)化完善，結(jié)合QoS服務(wù)質(zhì)量需求提出新的測量信道狀態(tài)信息方法，消除測量誤差，從而可以進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能。這是本項目最主要的研究內(nèi)容之一，也是后續(xù)研究內(nèi)容的基礎(chǔ)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)基本信息估計算法

研究建立信道狀態(tài)信息和網(wǎng)絡(luò)基本信息之間的關(guān)系，節(jié)點可以觀測信道狀態(tài)信息，并調(diào)整相應(yīng)的接入?yún)?shù)?，F(xiàn)有的接入機(jī)制，例如，經(jīng)典的Idle Sense機(jī)制，節(jié)點獲取了信道狀態(tài)信息后，直接估計給出接入?yún)?shù)（競爭窗口），然后進(jìn)行信道的競爭接入。在活動節(jié)點個數(shù)估計算法中，估計算法同樣也是根據(jù)信道狀態(tài)信息直接給出估計數(shù)值，并沒有考慮當(dāng)前使用的參數(shù)對計算結(jié)果的影響。由于節(jié)點是采用分布式方式計算信道狀態(tài)信息的，因此，每次測量的信道狀態(tài)信息都會存在一定的誤差，如果沒有完善措施，這種測量誤差會累積并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降。

如何消除這種誤差是正確調(diào)整接入?yún)?shù)和提高網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。獲得正確信道狀態(tài)反饋信息并根據(jù)節(jié)點當(dāng)前使用參數(shù)估計網(wǎng)絡(luò)基本信息（節(jié)點個數(shù)或者業(yè)務(wù)負(fù)載）是一種有效消除上述測量誤差的可行方法。如前所述，飽和狀態(tài)下，每一個節(jié)點只產(chǎn)生一種業(yè)務(wù)類型，活動節(jié)點個數(shù)和業(yè)務(wù)負(fù)載是等同的?；顒庸?jié)點個數(shù)估計算法能比較好地運用在DCF優(yōu)化方案中；在支持QoS服務(wù)質(zhì)量需求的網(wǎng)絡(luò)中，由于有不同的吞吐量優(yōu)先級別，在同一個傳輸周期內(nèi)，存在并允許同一節(jié)點多次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，因此，采用業(yè)務(wù)負(fù)載估計算法則更適合運用在EDCA優(yōu)化機(jī)制中。

在分布式接入機(jī)制中，由于沒有中心接入點的協(xié)助，網(wǎng)絡(luò)基本信息是不可能直接獲取的。因此，結(jié)合信道狀態(tài)反饋信息和當(dāng)前使用參數(shù)去逼近真實的網(wǎng)絡(luò)基本信息并降低預(yù)測波動幅度是本項目主要研究內(nèi)容之一。

1.3 數(shù)據(jù)幀長度分布和數(shù)據(jù)交互模式研究

在IEEE 802.11協(xié)議中，只是確定了數(shù)據(jù)幀的最大長度，并給出了分割數(shù)據(jù)幀長度的門限。在現(xiàn)有相關(guān)算法的仿真驗證中，對于數(shù)據(jù)幀長度的選擇具有很大的隨意性，導(dǎo)致很難直接判斷各種自適應(yīng)接入控制機(jī)制的性能差異。在碰撞概率較大的網(wǎng)絡(luò)中，比較Data／ACK交互模式和RTS／CTS／Data／ACK交互模式，最主要的差異在于碰撞判斷時間不同，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。Data／ACK交互模式，碰撞判斷時間直接和數(shù)據(jù)幀的長度相關(guān)聯(lián)，因此，網(wǎng)絡(luò)總吞吐量直接受數(shù)據(jù)幀長度影響。RTS／CTS／Data／ACK交互模式，通過RTS／CTS控制幀的交換來判斷是否發(fā)生碰撞，一方面消除了數(shù)據(jù)幀長度對于碰撞判斷時間的影響；另一方面RTS／CTS控制幀的交互消耗了很大一部分的信道資源，從而也降低了網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量性能。

現(xiàn)實中網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的動態(tài)變化是常見的一種應(yīng)用場景，而分析網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化狀態(tài)下的數(shù)據(jù)幀長度分布規(guī)律的內(nèi)容鮮有報道。在新的基于最優(yōu)競爭窗口的自適應(yīng)接入機(jī)制中，碰撞概率保持在較低的水平，如何結(jié)合數(shù)據(jù)交互模式，設(shè)計最優(yōu)數(shù)據(jù)幀長度，進(jìn)而分析網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化狀態(tài)下的數(shù)據(jù)幀長度動態(tài)分布規(guī)律性，是本項目主要研究內(nèi)容之一。

我們將采用理論分析與計算機(jī)仿真相結(jié)合的研究方法。理論研究中驗證新理論新方法盡可能采用比較經(jīng)典常用的數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗。

為了介紹的方便性，本研究方案主要分析RTS／CTS／Data／ACK數(shù)據(jù)交互模式，并假設(shè)信道處于理想情況下，進(jìn)一步研究了活動節(jié)點個數(shù)變化和QoS服務(wù)質(zhì)量需求對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。Data／ACK數(shù)據(jù)交互模式不在此詳述，將在其他論文中給出。

首先給出最優(yōu)競爭窗口和活動節(jié)點個數(shù)關(guān)系的研究內(nèi)容，然后，進(jìn)一步分析吞吐量、競爭窗口指標(biāo)和活動節(jié)點個數(shù)的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，給出關(guān)鍵技術(shù)的研究方案。

基于RTS／CTS的接入機(jī)制中競爭窗口和節(jié)點個數(shù)關(guān)系研究，針對DCF接入控制機(jī)制優(yōu)化方案，從研究成功傳輸時間和碰撞判斷時間入手，建立了新的飽和狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)時延模型?；谛碌臅r延模型，令網(wǎng)絡(luò)總吞吐量最大，進(jìn)一步給出了近似最優(yōu)競爭窗口數(shù)值和活動節(jié)點個數(shù)關(guān)系式：

公式（1）中，θ稱為競爭窗口指標(biāo)（Contention Window Index，CWI）（也可稱窗系數(shù)），當(dāng)選定了接入機(jī)制，競爭窗口指標(biāo)θ是一個定值，詳細(xì)推導(dǎo)過程。上式表明：在基于最優(yōu)競爭窗口的接入機(jī)制中，競爭窗口近似是關(guān)于活動節(jié)點個數(shù)的線性函數(shù)。通過將接入?yún)?shù)和網(wǎng)絡(luò)中的活動節(jié)點個數(shù)關(guān)聯(lián)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化的時候，可以保證最優(yōu)的接入?yún)?shù)配臵，從而能保證網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。進(jìn)一步對該公式進(jìn)行分析，可以理解為：每個活動節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的時候，均需要匹配一個適當(dāng)?shù)母偁幋翱?，才能獲得相應(yīng)比較好的網(wǎng)絡(luò)性能。如果將競爭窗口時隙化，則可以表示為每一次數(shù)據(jù)幀發(fā)送事件均需要有適當(dāng)?shù)目臻e時隙數(shù)量，才能獲得好的發(fā)送數(shù)據(jù)成功概率。這種理解不僅可以用于DCF優(yōu)化方案，還可以運用于EDCA優(yōu)化方案，還可以運用于非飽和狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)公式（1），進(jìn)一步可以得到吞吐量、競爭窗口指標(biāo)和活動節(jié)點個數(shù)三者之間的關(guān)系，采用3D圖形的方式顯示如圖1。

從圖1中可以看出，當(dāng)競爭窗口數(shù)值和活動節(jié)點個數(shù)保持公式（1）線性關(guān)系時，在一定的競爭窗口指標(biāo)變化范圍內(nèi)（10≤θ≤100），活動節(jié)點個數(shù)N和競爭窗口指標(biāo)CWI對于總吞吐量影響很小。當(dāng)競爭窗口指標(biāo)CWI減少的時候（θ＜10），總的吞吐量會減少。

造成吞吐量下降的主要原因在于：更小的競爭窗口指標(biāo)，意味著節(jié)點在更小的競爭窗口內(nèi)進(jìn)行信道接入競爭，從而導(dǎo)致更高的碰撞概率和更低的吞吐量性能。

圖1中的結(jié)果關(guān)鍵是要保持競爭窗口和節(jié)點個數(shù)之間的線性關(guān)系。公式（1）給出的線性關(guān)系以及圖1中競爭窗口指標(biāo)對網(wǎng)絡(luò)總吞吐量的影響是本項目研究的基礎(chǔ)和出發(fā)點。

圖1 吞吐量和節(jié)點個數(shù)、競爭窗口指標(biāo)關(guān)系

2 結(jié)語

WLANs中基于IEEE 802.11協(xié)議的分布式自適應(yīng)接入機(jī)制具有其自身特點，其碰撞處理和接入?yún)?shù)調(diào)整策略為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和WSNs提供了借鑒和參考。傳統(tǒng)的分布式自適應(yīng)接入機(jī)制由于沒有對信道狀態(tài)反饋信息進(jìn)行優(yōu)化，會造成測量誤差，并且，這種誤差的累積會降低公平性性能和總的吞吐量性能。為了解決這一問題，本項目提出了基于最優(yōu)競爭窗口分布式自適應(yīng)接入機(jī)制，在接入?yún)?shù)和調(diào)整策略方面具有明顯特色與創(chuàng)新，創(chuàng)新主要體現(xiàn)在如下幾點：

（1）空閑時隙間隔測量方法具有明顯創(chuàng)新。合理的空閑時隙間隔測量方法，一方面能反映網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)，另一方面也使得節(jié)點能合理調(diào)整接入?yún)?shù)，獲得更好的吞吐量性能和公平性性能。新的空閑時隙間隔測量方法并沒有簡單將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算，而是在相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了分析。根據(jù)QoS服務(wù)質(zhì)量需求，新算法引入優(yōu)先級因子β，一方面用于約束不同接入類型參與信道競爭的次數(shù)，確保不會累積測量誤差，保證公平性。另一方面可以調(diào)整信道的使用狀態(tài)，保持最優(yōu)的使用效率，提高網(wǎng)絡(luò)性能。在空閑時隙間隔的測量方法中，修正信道反饋信息并引入優(yōu)先級因子支持QoS服務(wù)質(zhì)量需求是本研究主要的創(chuàng)新點之一。這是現(xiàn)有的自適應(yīng)算法所不具備的，相似研究目前未見報道。

（2）增量多門限網(wǎng)絡(luò)基本信息（節(jié)點個數(shù)／業(yè)務(wù)負(fù)載）估計算法具有明顯創(chuàng)新。現(xiàn)有的自適應(yīng)接入機(jī)制，分析節(jié)點根據(jù)觀測的信道狀態(tài)信息直接估計給出競爭窗口、節(jié)點個數(shù)等參數(shù)。新的算法通過升降門限判斷網(wǎng)絡(luò)基本信息的增加和減少，并設(shè)置幅度門限用于快速跟蹤網(wǎng)絡(luò)中活動節(jié)點個數(shù)的變化范圍。采用多門限的網(wǎng)絡(luò)基本信息估計策略也是本研究的主要創(chuàng)新之一。同時，采用了類似增量估計的方法，根據(jù)節(jié)點當(dāng)前使用的參數(shù)給出新的估計結(jié)果也具有明顯的創(chuàng)新，相似研究目前未見報道。

在支持QoS服務(wù)質(zhì)量需求的網(wǎng)絡(luò)中，同一個傳輸周期內(nèi)，不同接入類型嘗試接入信道的次數(shù)會有差異，因此，采用活動節(jié)點個數(shù)估計算法并不適合用于區(qū)分接入類型不同的發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)，也不利于分析信道最優(yōu)使用情況。采用根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載的情況設(shè)計接入?yún)?shù)和調(diào)整接入策略更適合于支持QoS服務(wù)質(zhì)量需求的網(wǎng)絡(luò)中。

因此，在支持QoS服務(wù)質(zhì)量需求的網(wǎng)絡(luò)中，選擇業(yè)務(wù)負(fù)載作為估計的對象，這也是本研究的創(chuàng)新點之一，相似研究目前未見報道。

（3）基于最優(yōu)競爭窗口的數(shù)據(jù)交互模式和數(shù)據(jù)幀長度分布規(guī)律研究具有明顯創(chuàng)新。在基于最優(yōu)競爭窗口的分布式自適應(yīng)接入機(jī)制中，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定狀態(tài)下的碰撞概率會保持較低的水平，針對這種條件，研究不同數(shù)據(jù)交互模式和數(shù)據(jù)幀最優(yōu)長度，提高網(wǎng)絡(luò)性能也是本項目的主要創(chuàng)新點之一，相似研究目前未見報道。相關(guān)研究結(jié)論可以用于不同接入機(jī)制之間性能的比較，該研究內(nèi)容鮮有權(quán)威結(jié)論。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于動態(tài)變化階段，研究不同數(shù)據(jù)交互模式下數(shù)據(jù)幀長度分布規(guī)律和調(diào)整策略，對于提高接入控制機(jī)制的適應(yīng)性和擴(kuò)展性具有極其重要的意義，也是本項目的主要創(chuàng)新點之一，相似研究未見報道。

基于最優(yōu)競爭窗口的接入機(jī)制中，結(jié)合不同數(shù)據(jù)交互模式，研究網(wǎng)絡(luò)處于不同狀態(tài)（穩(wěn)定狀態(tài)或者動態(tài)過渡狀態(tài)）下數(shù)據(jù)幀長度的分布規(guī)律和調(diào)整策略是本項目的主要創(chuàng)新點之一。