DCF是IEEE802.11MAC中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須具有的最基本的接入方式，其主要技術(shù)是載波偵聽多點(diǎn)接入沖突避免(CSMA/CA)機(jī)制及二進(jìn)制指數(shù)退避(BEB)算法。

    當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，首先檢測(cè)信道，如果信道空閑時(shí)間大于或等于DIFS，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；否則節(jié)點(diǎn)推遲數(shù)據(jù)發(fā)送，執(zhí)行二進(jìn)制指數(shù)退避：每當(dāng)信道競(jìng)爭(zhēng)成功，節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口重置為最小值，每次沖突競(jìng)爭(zhēng)窗口值加倍，即：

其中，m為最大退避階數(shù)；CW_min和CW_max由物理層特征決定，分別稱為最小競(jìng)爭(zhēng)窗口和最大競(jìng)爭(zhēng)窗口。競(jìng)爭(zhēng)窗口的初始值為CWmin。

    針對(duì)BEB退避機(jī)制中的初始競(jìng)爭(zhēng)窗口不能隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)變化選擇其最佳值，目前很多的研究都致力于對(duì)DCF的性能的研究和優(yōu)化^[1-5]。其中參考文獻(xiàn)[3-5]基于Markov模型^[6-7]為不同規(guī)模網(wǎng)絡(luò)確定其最佳競(jìng)爭(zhēng)窗口，但對(duì)于節(jié)點(diǎn)中所有數(shù)據(jù)(第一次退避數(shù)據(jù)或者沖突重傳的數(shù)據(jù))退避處理的過程都是完全一樣的。因此，本文提出了一個(gè)具有不同退避過程的兩級(jí)退避的接入?yún)f(xié)議(OCW-DCF),并運(yùn)用Markov模型對(duì)OCW-DCF 協(xié)議的性能進(jìn)行了分析。

1 Markov模型描述

    OCW-DCF協(xié)議的退避機(jī)制具有一種競(jìng)爭(zhēng)窗口和兩級(jí)不同的退避過程：快速退避(計(jì)數(shù)器不凍結(jié))和正常退避。其Markov模型如圖1所示。除具有凍結(jié)狀態(tài)及信道忙閑概率外，模型還引入了退避判斷狀態(tài)(-1,0)和反映網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸情況的概率p_c。

    圖1中Markov模型的一步轉(zhuǎn)移概率為：

    聯(lián)合式(3)、式(4)，得一個(gè)隨機(jī)時(shí)隙網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)可能發(fā)送數(shù)據(jù)的概率：

    假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，則任意時(shí)隙節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到信道為忙的概率：

    聯(lián)立式(5)、式(6)、式(9)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為n、競(jìng)爭(zhēng)窗口W已知時(shí)，可求得τ的數(shù)值解。

2 Markov模型分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)歸一化吞吐量分析

    設(shè)歸一化吞吐量S為信道成功傳輸MAC數(shù)據(jù)幀的時(shí)間占總傳輸時(shí)間的比值：

其中，T_a為有效MAC數(shù)據(jù)幀的平均傳輸時(shí)間。一個(gè)時(shí)隙的實(shí)際平均長(zhǎng)度由3部分組成：空閑的系統(tǒng)時(shí)隙?滓；由于成功數(shù)據(jù)傳輸而導(dǎo)致信道忙的平均時(shí)間T_s；由于傳輸數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突而導(dǎo)致信道忙的平均時(shí)間T_c。

    設(shè)PHY=PHY_hdr,T_a=MAC_hdr+MAC_data, δ為傳輸延時(shí)， DCF有兩種信道接入模式：基本接入模式和RTS/CTS接入模式，根據(jù)IEEE802.11協(xié)議規(guī)范^[8]，其T_s和T_c分別為：

    (1)基本接入模式： 

    由式(10)、 (11)、 (12)可得基本接入模式和RTS/CTS接入模式的S的數(shù)值解。

2.2 信道接入延時(shí)分析

    信道接入延時(shí)由退避過程中退避計(jì)數(shù)器的值遞減及凍結(jié)所需時(shí)間組成：

其中空閑系統(tǒng)時(shí)隙σ由物理特性決定，因數(shù)據(jù)成功傳輸而檢測(cè)到信道忙的概率因數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生沖突而檢測(cè)到信道忙的概率p_b,c=p_b-p_b,s。

    根據(jù)圖1的Markov模型，狀態(tài)(-1，0)時(shí)，節(jié)點(diǎn)不退避：D_-1=0；

    快速退避階段，計(jì)數(shù)器的值不凍結(jié)：

    當(dāng)n及W確定，聯(lián)合式(14)、式(15)、式(16)可求得不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的D的數(shù)值解。

2.3 最佳競(jìng)爭(zhēng)窗口分析

    由式(10)中S的表達(dá)式進(jìn)一步得：

3 仿真分析

    假設(shè)所有MAC幀都具有固定長(zhǎng)度，模型的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

    圖2~圖5分別為不同規(guī)模網(wǎng)絡(luò)下OCW-DCF采用基本接入模式和RTS/CTS的S與W以及D與W的關(guān)系。

    由圖2所示， OCW-DCF協(xié)議能達(dá)到的最大吞吐量比參考文獻(xiàn)[3]中m=2時(shí)的兩級(jí)退避下的高，而與DCF/CCW的相同。由圖2和圖3對(duì)比結(jié)果知，OCW-DCF采用基本模式的最大歸一化吞吐量比RTS/CTS的大。

    由圖4所示，基本接入模式下， OCW-DCF協(xié)議的最小平均信道接入延時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DCF/CCW協(xié)議的。從圖4和圖5的對(duì)比結(jié)果，OCW-DCF采用基本接入模式的最小延時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RTS/CTS的。

    OCW-DCF協(xié)議具有非常小的信道平均接入延時(shí)，且能根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸情況確定其最佳競(jìng)爭(zhēng)窗口。OCW-DCF協(xié)議采用基本接入模式的總體性能比RTS/CTS模式的好。

參考文獻(xiàn)

[1] 裴冬冬,王興華,向新. IEEE802.11 DCF退避機(jī)制公平性分析與改進(jìn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010,36(10):92-94.

[2] 張鋒,向新,楊寶強(qiáng),等.基于IEEE802.11 DCF的優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)窗口算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011,37(7)：111-114.

[3] WANG R, ZHANG J, ZOU X. Performance analysis and optimization of IEEE 802.11 DCF with constant contention window[C]. ISECS International Colloquium on Computing, Communication, Control, and Management, CCCM, Aug. 2008.

[4] Weng Chien-Erh, Chen Chunyin, Chen Chiung-Hsing, et al. Optimal performance study of IEEE 802.11 DCF with contention window[C]. International Conference on Broadband and Wireless Computing, Communication and Applications，bwcca, 2011:505-508.

[5] Weng Chien-Erh, Chen Chunyin. Performance study of IEEE 802.11 DCF with optimal contention window[C].Sixth International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing, 2012:481-484.

[6] BIANCHI G.IEEE 802.11 saturation throughput analysis[J].IEEE Communications Letters，1998,13(3):535-547.

[7] VARDAKAS J S, POULOS M K, LOGOTHETIS M D.Performance behaviour of IEEE 802.11 distributed coordination function[J].Circuits, Devices & Systems, IET，2008(2):50-59.

[8] MATTBEW  S G. 802.11無線網(wǎng)絡(luò)權(quán)威指南[M].第2版.南京：東南大學(xué)出版社, 2007.