无线局域网的竞争站点数预测算法

无线局域网的竞争站点数预测算法赵力强西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室, 陕西西安（710071）E-mail: lqzhao@摘要：本文提出虚拟的分布式协调功能（VDCF）预测算法（VDCF），预测无线局域网的规模（即竞争信道的站点数n）。

VDCF通过发送虚拟数据帧，检测虚拟帧碰撞概率，可以在发送真实的数据帧之前预测站点数。

仿真结果表明，VDCF计算准确快捷。

关键词：无线局域网；分布式协调功能；CSMA/CA；退避策略；虚拟的分布式协调功能1. 引言无线局域网（WLAN）可以同时满足人们对高速传输和个人移动性的要求，因此得到广泛应用。

IEEE 802.11分布式协调功能（DCF）是目前最具影响力的WLAN标准[1]。

DCF的性能与网络规模（即竞争信道的站点数n）密切相关[2-5]，而n是各站点的帧碰撞概率的函数。

各站点采用ADCF算法，可以一边发送数据一边测量帧碰撞概率，然后计算出n，根据n选择传输机制可以提高网络吞吐量[6]。

如果采用Kalman滤波技术对测量数据进行平滑处理，可以缩短测量的时间[7]。

但是，各站点必须测量一定时间才能获得可靠的帧碰撞概率，所以该算法不能及时反映网络规模的变化。

此外，该算法要求各站点的负载处于饱和状态，即始终有数据帧发送。

在实际使用中，各站点的负载强度不同，某些站点可能没有数据需要发送。

本文提出的虚拟的分布式协调功能（VDCF）算法可以迅速准确地预测正在竞争信道的站点数。

2. 分布式协调功能（DCF）DCF基于载波监测/冲突避免（CSMA/CA）多址接入协议和时隙制退避策略，退避时隙数是一个均匀分布在[0, W-1]上的随机整数，W是介于Wmin和Wmax之间的整数。

第一次发送某帧时，W=Wmin；如果发生碰撞，W加倍，重传该帧；发生m次碰撞后，W=Wmax；如果再发生碰撞，W不再增加。

DCF支持两种帧传输方式：ACK和RTS/CTS机制。

ACK属于两次握手机制，当接收方正确接收某数据帧后，会立即发送确认帧，发送方收到确认帧，就知道数据帧已成功发送。

RTS/CTS属于四次握手机制，发送方在发送数据帧之前，首先发送一个RTS控制帧来预约信道，接收方返回一个CTS控制帧，之后开始进行数据帧的发送和ACK确认。

RTS/CTS 机制可以解决发送长帧时易发生碰撞从而导致网络吞吐量急剧下降的问题，但是，RTS/CTS 帧增加了网络开销，当数据帧较短时网络吞吐量较低。

分析表明，帧长低于某个门限值时，ACK机制的吞吐量优于RTS/CTS机制；帧长高于该门限值后，RTS/CTS机制的吞吐量优于ACK机制。

该门限值与竞争信道的站点数n有关：n越大，门限值越小。

各站点可以根据n 实时调节自己的门限值。

如果发送的数据帧长度小于门限值，采用ACK机制；如果帧长大于门限值，采用RTS/CTS机制。

这样可以保证系统吞吐量始终最大。

3. 虚拟的分布式协调功能（VDCF）VDCF的核心思想是：终端A在发送真实的数据帧之前，发送虚拟帧，测量虚拟帧的碰撞概率，预测n；在发送真实帧的过程中，A检测真实帧的碰撞概率，跟踪n的变化。

因此，VDCF可以实时反映网络规模的变化。

VDCF完全遵循DCF的多址接入和退避策略，区别仅在于VDCF发送虚拟帧，DCF发送真实帧。

在VDCF中，在发送时隙内A不发送任何帧，但是，如果其它站点在同一时隙内发送数据，A认为自己已经发送虚拟帧占用该时隙，因此虚拟帧发生碰撞，A进入退避过程。

因为A不发送真实帧，不会影响其它站点的正常发送。

在VDCF算法中，A处于饱和状态（即A始终有虚拟帧发送）。

假设A每次发送虚拟帧时，虚拟帧的碰撞概率与过去的碰撞次数无关，即碰撞概率p 恒定且相互独立。

根据[4]可得，A 在任意时隙发送虚拟帧的概率为()()()()min min 2121211(2)m p p W pW p τ−=−++− (1)如果除了A 发送虚拟帧外，其它n 个站点中任何一个发送真实帧，虚拟帧就会发生碰撞。

假设A 和各站点的发送概率都为τ，则虚拟帧的碰撞概率为：1(1)n p τ=−−(2)A 在发送虚拟帧的过程中，通过检测信道可以获得自己在某个时间段内虚拟帧的发送概率和碰撞概率的算术平均值，然后，就可以得到终端数的预测值： (1)ˆlog (1)nτ−p =− (3)将（8）代入（10），可得 ()()()()min min 21211211(2)ˆlog (1)m p p W pW p n p ⎛−⎜⎟−⎜⎟−++−⎝⎠=−⎞ (4)采用（10）估算n ，需要检测两个参数：帧发送概率和碰撞概率，但计算比较简单。

采用（11）估算n ，只需要检测帧碰撞概率，但计算比较复杂。

在实际中，n 个站点的负载强度不同。

某些站点在某些时刻可能没有数据需要发送，不会竞争信道。

VDCF 假设A 和各站点的发送概率都为τ，因此，VDCF 预测的结果是当时正在竞争信道的终端数。

4. 性能仿真与分析本文采用计算机仿真VDCF ，仿真中未考虑信道误码与传播时延，仿真参数服从IEEE 802.11b 协议。

某个站点采用ADCF 通过检测真实帧的碰撞概率估算站点数的变化，站点A 只发送虚拟帧并采用VDCF 通过检测虚拟帧的碰撞概率预测站点数的变化。

仿真时间分别为10s 、30s 和60s 时，结果如图2-7所示。

为了比较ADCF 和VDCF 算法的性能，二者的仿真结果都没有经过Kalman 滤波。

可以看出，VDCF 的预测值与实际值基本吻合，说明VDCF 是合理的。

表1 仿真参数信道速率 Wmin Wmax 站点数11Mb/s 32 1024 10,15,20,25 30,35,40,45,50图2 站点数的预测值（仿真时间10s ） 图3 碰撞概率的预测值（仿真时间10s ）图4 站点数的预测值（仿真时间30s ） 图5碰撞概率的预测值（仿真时间30s ）图6 站点数的预测值（仿真时间60s ）图7碰撞概率的预测值（仿真时间60s ） 由图2-3可知，当仿真时间较低时，VDCF 的预测更加准确快捷。

如果检测时间过短，ADCF 无法获得准确的真实帧碰撞概率，此时n 的估算误差较大。

虚拟帧的发送频率高于真实帧，因此VDCF 可以得到较准确的预测值。

A 只能获得虚拟帧碰撞概率在仿真时间内的算术平均值，这与真实帧碰撞概率的统计平均值存在偏差，因此，得到的站点数估算值有误差。

由图4-7可知，仿真时间较长，VDCF 的预测越准确。

5. 结论本文提出的VDCF 算法在不影响网络正常传输的前提下，通过测量虚拟帧的碰撞概率，实时估算网络规模的变化。

参考文献[1] IEEE Standard 802.11, 1999.[2] B. P. Crow, I. Widjaja, J. G. Kim, P. T. Sakai, "IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks," IEEE Commun.Magazine, September 1997, pp. 116-126.[3] J. Weinmiller, M. Schlager, A. Festag, A. Wolisz, "Performance Study of Access Control in Wireless LANsIEEE 802.11 DFWMAC and ETSI RES 10 HIPERLAN," Mobile Networks and Applications, vol. 2, 1997, pp. 55-67.[4] G. Bianchi, “Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function,” IEEE Journal ofSelected Areas in Telecommunications, Wireless series, vol. 18, no. 3, March 2000, pp. 535-547.[5] Y. C. Tay, K. C. Chua, "A capacity analysis for the IEEE 802.11 MAC protocol," ACM/Baltzer WirelessNetworks, vol. 7, no. 2, March 2001, pp. 159-171.[6] 赵力强、樊昌信，“ADCF：IEEE 802.11 DCF协议的自适应简便算法，”《电路与系统学报》，2003年8月，Vol. 8，No. 4，pp. 100-102。

[7] G. Bianchi, I. Tinnirello, "Kalman Filter Estimation of the Number of Competing Terminals in an IEEE802.11 network," INFOCOM 2003, San Francisco, USA, April 2003.Prediction of Number of Competing Stations in WLANZhao LiqiangState Key Laboratory of Integrated Services Networks, Xidian University, Xi’an, Shaanxi, 710071AbstractVirtual Distributed Coordination Function (VDCF) is proposed in this paper to pre-estimate the number of competing stations by means of the virtual frame collision probability before the real frames are transmitted. Simulation results show that this approach is both high accuracy and prompt reactivity to changes in the network size.Keywords: WLAN; Distributed Coordinate Function; CSMA/CA; backoff; VDCF作者简介：赵力强，男，1971年生，西安电子科技大学通信与信息系统学科博士，副教授，主要研究方向为宽带无线通信、无线城域网和无线局域网等。