基于802_11的多信道MAC协议性能分析
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[ 10] [ 8 9]
Fig . 1
Co mpar ison o f M A C 1, M A C 2, M A C 2R, and
M AC 2RB schemes. ( a ) M AC 1; ( b ) M AC 2; ( c ) M AC 2R; and ( d) M A C 2RB. 图1 M A C 1, M A C 2, M A C 2R, M A C 2RB 机 制 比 较 . ( a) M AC 1; ( b) M A C 2; ( c) M A C 2R; ( d) M AC 2R B
收稿日期 : 2007- 12- 18; 修回日期 : 2008- 12- 16 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 60802024) ; 国家 八六三 高技术研究发展计划基金项目 ( 2005A A 121122, 2005A A 123820)
1652 关键词
计算机研究与发展
2009, 46( 10)
摘 要
multi channel MAC prot ocol; split channel; IEEE 802. 11; Markov model; distributed queue
为了改善无线网络中信道带宽的利用率 , 提高网络的吞吐量性能, 已有研究提出了采用多信道 MAC 协议的方法, 将单个信道分割成控制子信道和数据子信道进行联合使用. 针对基于 802. 11 DCF 的该类型 M AC 协议, 采 用离散 Markov 链对 DCF 的退避机制进行建模分析 , 研究了多信道下两种 MAC 机制的饱和吞吐量性能与信道带宽分配比例的关系, 分析了网络节点数、 数据分组大小和 DCF 竞 争窗口等对优化多信道带宽分配的影响 , 并将多信道 MAC 机制下的网络性能与单信道 M AC 机制进 行了对比. 分析和仿真结果表明, 采用优化的信道带宽分配 , 多信道的 M AC 机制可以一定程度上提高 网络的吞吐量性能. 但是 , 当允许控制帧以最大信道速率传输时, 多信道 MA C 机制吞吐量性能并不比 单信道 MAC 机制好.
成都 610054) ( 电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室 ( ex plo rer99us@ sina. com)
Performance Analysis of Multi Channel MAC Schemes Based on 802. 11
M ao Jianbing, M ao Yuming , Leng Supeng, and Bai Xiang
[ 7]
上, MAC 2RB 机制将在控制子信道上成功完成的 预约存放到一个分布式队列中 , 然后排队等待在数 据子信道上完成相应的数据传输 . 在 M AC 2 机 制中 , 节点在控制子信道上进行数据子信道预约时 , 数据子信道被空闲浪费掉. 显然, 同等条件下, 采用 MAC 2R 机制能获得比 MA C 2 更 好的网络性能 . 因此 , 本文主要讨论 M AC 2R 和 MAC 2RB 机制. 文献 [ 7, 9] 首次对上述一类 MAC 协议进行了 模型化性能分析 . 其中, 文献 [ 7] 的分析假设控制子 信道上采用 AL OH A 协议和 p 坚持 CSMA ( carr ier sensing mult iple access) 协议 [ 1] 传输 RT S CT S 预约 帧, 其分析结果表明 , 当控制子信道上采用 A LOH A 协议时, M AC 2R 机制的网络吞吐量性能并不优于 MAC 1 机制; 而当控制子信道上采用 p 坚持 CSMA 协议时, 只有在传播时延大于一个 RT S CT S 帧在 单信道条件下传输时间的 25% 时, MA C 2R 机制的 网络吞吐量性能才能优于 M AC 1 机制. 文献 [ 9] 在 文献 [ 7] 的基础之上 , 采用 M M m m + q 排队模型 , 进一步对控制子信道 采用 A LOH A 协议的 多信道 MAC 机制进行了分析, 结果仍然表明, 信道总带宽 一定的情况下, 采用信道分割的多信道 MAC 机制, 网络性能并不能超越采用单信道 MAC 机制的网络. IEEE 802. 11 DCF ( dist ribut ed co ordinat io n funct ion) 提供了一种分布式的竞争信道 接入协 议, 并在无线自组织网络、 无线传感器网络等诸多网 络中得到了广泛应用. 基于 CSMA CA( carrier sense mult iple access w it h collisio n avoidance) 的 DCF 协 议其核心思想在于当节点传输发生碰撞后, 节点采 用二进制指数回退的方式避免传输再次遭到碰撞 . 已有文献 [ 7, 9] 虽然对控制子信道上采用 A LOH A 协议和 p 坚持 CSM A 协议的 M AC 机制进行了性 能分析, 但是没有对控制子信道上采用 802. 11 DCF 的情 况 进行 探 讨. 因 此, 针 对控 制子 信 道上 采 用 802. 11 DCF 协议进行数据子信道预约的不同特性 , 本文对基于信道分割策略的多信道 M AC 机制进行 了性能分析 . 通过建立 DCF 协议退避机制的 离散 Markov 链分析模型, 我们首先获得了 MAC 1 机制
多信道 MAC 协议 ; 信道分割; IEEE 802. 11; M arkov 模型 ; 分布式队列
T P393. 17
中图法分类号
在无线通信网络中 , 由于信道带宽资源的限制, 节点通常需要 利用 MAC ( medium access contr ol) 协议实现 共享信道的竞争 接入控制和协 调. M AC 协议的设计能否有效地降低节点之间竞争接入所致 的信道开销, 直接影响着信道利用效率的高低. 为了 减小节点之间传输碰撞带来的信道浪费 , 提高网络 的吞吐量性能 , 一些文献提出了将信道进行分割使 用的策略[ 1 6] : 将一个共享信道分割成两个子信道, 分别为控制子信道和数据子信道 . 在控制子信道上, 节 点通 过 RT S CT S ( ready t o send clear t o send) 交互, 为待传输的数据执行数据子信道占用的竞争 预约. 预约成功后 , 节点在数据子信道上无竞争地占 用它完成数据传输 . 根据控制子信道和数据子信道的协调调度方式 不同 , 我们可以将信道分割使用的策略分为 3 种, 如图 1 所示, 我们分别以 MAC 2, MAC 2R 和 MAC 2RB 表示. 另外 , 我们以 M AC 1 表示单信道的 MAC 机制. 如果网络节点只有在数据子信道空闲时, 才能 在控制子信道上竞争预约数据子信道 , 我们称这种 机制为 M AC 2 机制; 而 MAC 2R 机制允许节点不 需要等待数据子信道空闲下来, 就可以为下一次数 据传输预约数据 子信 道; 在 M AC 2R 机制的 基础
( N ational K ey L abor ato ry of Communications , Univer sity of E lectr onic S cience and T echnology of China , Cheng du 610054 )
Abstract In order t o im pro ve t he t hroughput perfo rmance of m edium access cont rol ( MA C) schem es in w ireless com municat ion net w orks, som e r esearchers pr opo sed t o split t he single shared channel int o tw o sub channels: a cont rol sub channel and a dat a sub channel. T he contr ol sub channel is used fo r access r eser vation t o t he dat a sub channel o ver w hich t he data packet s are t ransmit ted. In t his paper, an analyt ical fram ew ork is present ed t o evaluate t he maxim um achievable t hroughput of a class of generic m ult i channel M AC schemes t hat are based o n t he RT S CT S ( r eady t o send clear t o send) dialogue and o n t he backo ff cont ent ion resolution mechanism pro posed in 802. 11 DCF ( dist ribut ed coo rdinat ion f unctio n) . By m aking use of a discr et e M arkov chain m odel fo r the backof f m echanism, the int erv al t im e of successf ully t ransmit t ed RT S CT S on t he cont ro l sub channel is obt ained, and then it is applied t o derive t he sat urat ion t hroughput of t he m ulti channel M ely r elat ed to t he bandw idt h allocation rat io bet w een t he cont rol sub channel and t he data sub channel. M oreover, t he inf luence of the num ber of st at ions, t he packet size, and t he minim um cont ent ion w indow on t he opt im al bandw idth allocat ion rat io is invest igat ed. Com pared w ith the perf ormance o f t he corr espo nding sing le channel M AC scheme that sends RT S CT S packet s and DAT A packet s on a sing le shared channel, t he ex perim ent r esul ts show that t he m ult i channel M AC schemes can only bring some per for mance enhancem ent. But under t he conditio n t hat RT S CT S are tr ansm itt ed in full channel rate, the single channel MAC scheme can out per for m t he multi channel MAC schemes. Key words
计算机研究与发展 Jour nal of Comput er Research and Development
ISSN 1000 1239 CN 11 1777 T P 46( 10) : 1651 1659, 2009
基于 802. 11 的多信道 MAC 协议性能分析
毛建兵 毛玉明 冷甦鹏 白 翔
Fig . 1
Co mpar ison o f M A C 1, M A C 2, M A C 2R, and
M AC 2RB schemes. ( a ) M AC 1; ( b ) M AC 2; ( c ) M AC 2R; and ( d) M A C 2RB. 图1 M A C 1, M A C 2, M A C 2R, M A C 2RB 机 制 比 较 . ( a) M AC 1; ( b) M A C 2; ( c) M A C 2R; ( d) M AC 2R B
收稿日期 : 2007- 12- 18; 修回日期 : 2008- 12- 16 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 60802024) ; 国家 八六三 高技术研究发展计划基金项目 ( 2005A A 121122, 2005A A 123820)
1652 关键词
计算机研究与发展
2009, 46( 10)
摘 要
multi channel MAC prot ocol; split channel; IEEE 802. 11; Markov model; distributed queue
为了改善无线网络中信道带宽的利用率 , 提高网络的吞吐量性能, 已有研究提出了采用多信道 MAC 协议的方法, 将单个信道分割成控制子信道和数据子信道进行联合使用. 针对基于 802. 11 DCF 的该类型 M AC 协议, 采 用离散 Markov 链对 DCF 的退避机制进行建模分析 , 研究了多信道下两种 MAC 机制的饱和吞吐量性能与信道带宽分配比例的关系, 分析了网络节点数、 数据分组大小和 DCF 竞 争窗口等对优化多信道带宽分配的影响 , 并将多信道 MAC 机制下的网络性能与单信道 M AC 机制进 行了对比. 分析和仿真结果表明, 采用优化的信道带宽分配 , 多信道的 M AC 机制可以一定程度上提高 网络的吞吐量性能. 但是 , 当允许控制帧以最大信道速率传输时, 多信道 MA C 机制吞吐量性能并不比 单信道 MAC 机制好.
成都 610054) ( 电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室 ( ex plo rer99us@ sina. com)
Performance Analysis of Multi Channel MAC Schemes Based on 802. 11
M ao Jianbing, M ao Yuming , Leng Supeng, and Bai Xiang
[ 7]
上, MAC 2RB 机制将在控制子信道上成功完成的 预约存放到一个分布式队列中 , 然后排队等待在数 据子信道上完成相应的数据传输 . 在 M AC 2 机 制中 , 节点在控制子信道上进行数据子信道预约时 , 数据子信道被空闲浪费掉. 显然, 同等条件下, 采用 MAC 2R 机制能获得比 MA C 2 更 好的网络性能 . 因此 , 本文主要讨论 M AC 2R 和 MAC 2RB 机制. 文献 [ 7, 9] 首次对上述一类 MAC 协议进行了 模型化性能分析 . 其中, 文献 [ 7] 的分析假设控制子 信道上采用 AL OH A 协议和 p 坚持 CSMA ( carr ier sensing mult iple access) 协议 [ 1] 传输 RT S CT S 预约 帧, 其分析结果表明 , 当控制子信道上采用 A LOH A 协议时, M AC 2R 机制的网络吞吐量性能并不优于 MAC 1 机制; 而当控制子信道上采用 p 坚持 CSMA 协议时, 只有在传播时延大于一个 RT S CT S 帧在 单信道条件下传输时间的 25% 时, MA C 2R 机制的 网络吞吐量性能才能优于 M AC 1 机制. 文献 [ 9] 在 文献 [ 7] 的基础之上 , 采用 M M m m + q 排队模型 , 进一步对控制子信道 采用 A LOH A 协议的 多信道 MAC 机制进行了分析, 结果仍然表明, 信道总带宽 一定的情况下, 采用信道分割的多信道 MAC 机制, 网络性能并不能超越采用单信道 MAC 机制的网络. IEEE 802. 11 DCF ( dist ribut ed co ordinat io n funct ion) 提供了一种分布式的竞争信道 接入协 议, 并在无线自组织网络、 无线传感器网络等诸多网 络中得到了广泛应用. 基于 CSMA CA( carrier sense mult iple access w it h collisio n avoidance) 的 DCF 协 议其核心思想在于当节点传输发生碰撞后, 节点采 用二进制指数回退的方式避免传输再次遭到碰撞 . 已有文献 [ 7, 9] 虽然对控制子信道上采用 A LOH A 协议和 p 坚持 CSM A 协议的 M AC 机制进行了性 能分析, 但是没有对控制子信道上采用 802. 11 DCF 的情 况 进行 探 讨. 因 此, 针 对控 制子 信 道上 采 用 802. 11 DCF 协议进行数据子信道预约的不同特性 , 本文对基于信道分割策略的多信道 M AC 机制进行 了性能分析 . 通过建立 DCF 协议退避机制的 离散 Markov 链分析模型, 我们首先获得了 MAC 1 机制
多信道 MAC 协议 ; 信道分割; IEEE 802. 11; M arkov 模型 ; 分布式队列
T P393. 17
中图法分类号
在无线通信网络中 , 由于信道带宽资源的限制, 节点通常需要 利用 MAC ( medium access contr ol) 协议实现 共享信道的竞争 接入控制和协 调. M AC 协议的设计能否有效地降低节点之间竞争接入所致 的信道开销, 直接影响着信道利用效率的高低. 为了 减小节点之间传输碰撞带来的信道浪费 , 提高网络 的吞吐量性能 , 一些文献提出了将信道进行分割使 用的策略[ 1 6] : 将一个共享信道分割成两个子信道, 分别为控制子信道和数据子信道 . 在控制子信道上, 节 点通 过 RT S CT S ( ready t o send clear t o send) 交互, 为待传输的数据执行数据子信道占用的竞争 预约. 预约成功后 , 节点在数据子信道上无竞争地占 用它完成数据传输 . 根据控制子信道和数据子信道的协调调度方式 不同 , 我们可以将信道分割使用的策略分为 3 种, 如图 1 所示, 我们分别以 MAC 2, MAC 2R 和 MAC 2RB 表示. 另外 , 我们以 M AC 1 表示单信道的 MAC 机制. 如果网络节点只有在数据子信道空闲时, 才能 在控制子信道上竞争预约数据子信道 , 我们称这种 机制为 M AC 2 机制; 而 MAC 2R 机制允许节点不 需要等待数据子信道空闲下来, 就可以为下一次数 据传输预约数据 子信 道; 在 M AC 2R 机制的 基础
( N ational K ey L abor ato ry of Communications , Univer sity of E lectr onic S cience and T echnology of China , Cheng du 610054 )
Abstract In order t o im pro ve t he t hroughput perfo rmance of m edium access cont rol ( MA C) schem es in w ireless com municat ion net w orks, som e r esearchers pr opo sed t o split t he single shared channel int o tw o sub channels: a cont rol sub channel and a dat a sub channel. T he contr ol sub channel is used fo r access r eser vation t o t he dat a sub channel o ver w hich t he data packet s are t ransmit ted. In t his paper, an analyt ical fram ew ork is present ed t o evaluate t he maxim um achievable t hroughput of a class of generic m ult i channel M AC schemes t hat are based o n t he RT S CT S ( r eady t o send clear t o send) dialogue and o n t he backo ff cont ent ion resolution mechanism pro posed in 802. 11 DCF ( dist ribut ed coo rdinat ion f unctio n) . By m aking use of a discr et e M arkov chain m odel fo r the backof f m echanism, the int erv al t im e of successf ully t ransmit t ed RT S CT S on t he cont ro l sub channel is obt ained, and then it is applied t o derive t he sat urat ion t hroughput of t he m ulti channel M ely r elat ed to t he bandw idt h allocation rat io bet w een t he cont rol sub channel and t he data sub channel. M oreover, t he inf luence of the num ber of st at ions, t he packet size, and t he minim um cont ent ion w indow on t he opt im al bandw idth allocat ion rat io is invest igat ed. Com pared w ith the perf ormance o f t he corr espo nding sing le channel M AC scheme that sends RT S CT S packet s and DAT A packet s on a sing le shared channel, t he ex perim ent r esul ts show that t he m ult i channel M AC schemes can only bring some per for mance enhancem ent. But under t he conditio n t hat RT S CT S are tr ansm itt ed in full channel rate, the single channel MAC scheme can out per for m t he multi channel MAC schemes. Key words
计算机研究与发展 Jour nal of Comput er Research and Development
ISSN 1000 1239 CN 11 1777 T P 46( 10) : 1651 1659, 2009
基于 802. 11 的多信道 MAC 协议性能分析
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