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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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利用令牌DCF和附加进程最小化空闲时间和碰撞时间，并改变无线网络的竞争窗口大小

Shailja Uikey, Namrata Sahayam
印度贾巴尔普尔工程学院电子通信系通信系统分院。
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

IEEE 802.11 DCF是目前无线局域网中使用的MAC协议。然而，由于空闲和碰撞时间，802.11 DCF在信道利用率、系统吞吐量和信道访问时间方面表现不佳。为了克服802.11 DCF中这些低效率的来源，我们提出了一种用于无线网络的分布式动态自适应MAC协议，称为带有附加进程和改变争用窗口大小的令牌-DCF。我们的方法的主要重点是通过引入一种使用Append进程和改变争用窗口大小的令牌传递算法来减少空闲和冲突时间。在追加进程中，DCF进程搜索到的强数据及其队列长度如果大于阈值水平，将关注报头列表中的最小队列长度，并通过增加系统吞吐量和通道访问时间将其添加到新的相邻节点中。我们在ns-2中进行模拟来测量和比较MAC协议的性能。

介绍
IEEE 802.11定义了分布式协调函数(distributed coordination function, DCF)，在多站之间共享无线介质。DCF采用CSMA/CA和二进制指数回退算法来解决信道争用。DCF指定了随机回退，它强制一个站在一段随机的时间内推迟对信道的访问。此回退周期对应于一个站在尝试传输之前必须等待的空闲槽数。如果多个站选择相同的后退，它们将试图在同一时间发射，并发生碰撞。有两种类型的开销与随机访问协议相关。一个是信道空闲时间(即回退时间)，这是竞争站等待传输的时间。另一种是多台同时发射时发生的碰撞。如果竞争台站很少，空闲时间是主要开销。如果竞争台站较多，碰撞概率增大，成为信道利用率低的主要原因。

2相关工作
我们将之前的工作总结为:
1)令牌- dcf:用于无线网络的机会MAC协议Ghazale Hosseinabadi和Nitin Vaidya ECE和协调科学实验室部门。伊利诺伊大学香槟分校(电子邮件保护)978 - 1 - 4673 - 5494 - 3/13 / IEEE 31.2013美元
2) IEEE 802.11网络退退算法性能分析IJSER©2011 http://www.ijser.org.[2]
3) F. Cali, M. Conti，和E. Gregori，“ieee 802.11协议的动态调优以实现理论吞吐量限制，”ieee /ACM Trans。论网络，第8卷，no. 2。2000年12月6日。[3]。
4)竞争窗口对IEEE 802.11 wlan性能的影响陈云丽，harma P. Agrawal。基于对数的manet MAC协议回退算法格拉斯哥大学计算科学系格拉斯哥G12 8RZ {Saher, Mohamed}@ dcs.gl.ac.uk
token - dcf的主要设计目标是通过引入隐式令牌传递算法来减少闲置时间和冲突时间。对于大多数网络配置[1]，令牌DCF在系统吞吐量和通道访问延迟方面比802.11 DCF提高了2倍。
IEEE 802.11的主要介质访问控制(MAC)技术被称为分布式协调函数(DCF)。该协议采用CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)和二进制指数回退(binary exponential backoff, BEB)算法对信道进行访问。协议的性能主要依赖于回退过程，它降低了冲突的概率。使用BEB，在每次传输失败后，节点的等待时间将增加一倍。这为积压流量引入了快速增长的重传延迟。DCF将争用窗口减少到每次成功传输后的初始值，这基本上假设每次成功传输都表明系统处于低流量负载下。本文利用现有的退一步算法分析了这一问题。[２]
为了提高DCF的效率，提出了各种MAC协议。Cali等人修改了IEEE 802.11 MAC协议的回退算法，并导出了一个竞争窗口大小，使网络吞吐量最大化[3]。
Yunli Chen和Dharma P. Agrawal[4]提出了一种固定竞争窗(FCW)方案，并对该方案的性能进行了评价。通过分析，确定了最优竞争窗口。Adlen Ksentini, Abdelhamid。Nafaa, Abdelhak Gueroui, Mohammed Naimi[5]提出的，间隔是动态控制(增加/减少)的后退算法。设置回退间隔的长度并不是一项简单的任务。实际上，当网络负载增加时，应该增加平均回退间隔(即传输差异时间)，以吸收越来越多的竞争流，从而使这些流的碰撞概率最小化。而当网络负载降低时，应减小平均回退间隔，从而减小连续帧传输之间的间隔;较大的回退值确实会强烈限制较少积压流的吞吐量。

3TOKEN-DCF设计
在令牌- dcf中，当一个站在信道上传输时，它可能会将特权(即令牌)授予它的一个邻居。当传输结束时，特权站在一段短时间后开始传输，即SIFS(短帧间空间)。非特权站按照802.11的回退程序访问该信道。Token-DCF在协议栈的MAC层实现。调度信息嵌入在数据包的MAC报头中，通过侦听传递到相邻站。每个车站保持邻近车站的排队长度。然后在调度阶段使用这些队列长度为下一次传输选择特权站。发射站在其传输的数据包的MAC报头的特权字段中宣布特权站。通过偷听这些包，特权站被告知它在下一次传输中有更高的优先级。当传输结束时，特权站可以在SIFS之后开始传输，如果该通道被检测到空闲。 If opportunistic overhearing does not work, i.e., token is not received by the next privileged station, Token-DCF operates similar to 802.11 DCF. But when the next privileged station overhears the token, it can transmit on the channel without going to the backoff procedure.

四、追加过程
DCF进程搜索下一个相邻节点[强数据]。如果其队列长度大于阈值级别，则会发生冲突，节点中的数据将丢失。我们将关注头列表中的最小队列长度，并将其与新的相邻节点一起添加，并将它们的节点id和队列长度等信息添加到头列表中。然后，特权进程将再次启动，并且进程的连续性将保持不变。

五、争用窗口
每个站都有一个争用窗口，用来存储和转发临时数据。争用窗口分为最小争用窗口和最大争用窗口两类，其范围在32 ~ 1024之间，均匀分布在每个站点。[２]
当要传输的节点包的数量时，所以通过回退过程，所有节点都选择回退槽，它将减少到32个最小槽位，当它达到最小槽位时，它将相应地传输数据。
当数据包成功传输时，将32的最小范围设置为争用窗口范围。当数据包没有正确传输时，会使争用窗口的大小翻倍。像32、64、128、256、512和1024一样，这被称为二进制指数回退(BEB)算法。转换成功=CW0 = CWmin = 32转换失败= CWx2 = cw32x2。
退阶段-标准范围公式- bi = 2^(I+k) -1
Bi =基本DCF
Bi x槽时间
I =一开始等于1
K =取决于物理层参数。
i = 1
B(1) = 2^(1+4)-1
B(1) = 2^(5)-1
B(1) = 2x2x2x2x2-1
= 32 - 1
= 31

VI。评价
在本例中，假设每个节点的阈值级别为200字节，即每个节点可以包含200字节的数据。假设我们为10个节点运行DCF进程。
的例子,
20、30、40、50、160、170、180、185、190和200。
然后检查接收数据的总大小并计算吞吐量。
=20+30+40+50+160+170+180+185+190+200 = 1225
[吞吐量=(接收包数/产生包数× 8) bps]
10节点=生成字节数(2000)
吞吐量= 1225/2000 = (0.6125x8) = 4.9 bps。
然后Source节点在其头列表中搜索队列长度最大的节点，即数据最大的节点。
一旦找到，队列长度最大的节点将被授予特权。
最大队列长度= 200
现在该节点运行特权(令牌)进程。节点中包含的数据分布在每个选定的节点中。
20,30,40,50,160
平均值的计算方法是将该节点内的数据总字节数除以所选节点的总数。
所选数据分布的节点是数据字节数最小的节点。这样做的原因是，如果在已经有足够数据的节点上添加数据，可能会超过阈值水平，从而发生节点碰撞。为了防止这种情况，我们选择了预定义数量的节点，在我们的示例中，节点是根据它们所包含的数据字节从10个节点中挑选出来的，前5个节点的数据最少。
[平均=数据总字节数/总数所选节点的]
平均= 200/5 = 40
20+40= 60,30 +40= 70,40 +40= 80,50 +40= 90,160 +40=200，
170, 180, 185, 190, 150
然后，我们再次检查数据的总接收大小并计算吞吐量。
接收大小= 60+70+80+90+200+170+180+185+190+150 = 1375
吞吐量= 1375/2000 = (0.6875 x 8) =5.5 bps。
性能优于简单的DCF进程。因此，特权处理可以提高简单DCF处理的效率。
在运行特权进程有限的时间之后，检查结果并计算吞吐量。在特殊情况下，如果遇到新的相邻节点，其队列长度大于阈值水平，则使用追加进程。在此过程中，检查新相邻节点的数据字节数。如果字节数高于阈值水平，则等于阈值水平的数据将被添加到新的相邻节点，数据字节的剩余部分将与队列长度最小的节点的数据一起添加。在有限的时间内运行追加进程之后，将检查结果并计算吞吐量。完成追加过程后，再次重复权限过程。
我们对10个节点运行DCF进程。
20、40、60、80、50、120、140、160、180和250。
在追加过程中，如果在新的相邻节点中搜索字节数大于200字节的强数据(例如250字节)，则新的相邻节点将存储这200字节。在头列表中搜索node字节最少的节点，并将剩余50字节的数据添加到该节点中。
20+50=70、40、60、80、50、120、140、180、200。
然后再次重复特权过程。
我们知道，对于较少的节点数量，由于空闲时间，性能会下降，因为争用窗口的大小与节点数量相比更大。最小节点选择距离较长的槽位，在给定时间内不能减小，导致传输失败。节点为了重新传输而后退，因此竞争窗口的最小大小增加了一倍，并且延迟增加了。
在开始时，争用窗口的大小为32。因此，5、10、15、20号节点的性能下降。为了提高性能和减少延迟，使用Append进程将竞争窗口的大小从32减小到16。现在最小节点很容易选择后退槽和减少，并在给定时间内成功传输。
退步阶段-标准距离公式-
Bi = 2^(I+k) -1
我= 0
B(1) = 2^(0+4)-1
B(1) = 2^(4)-1
B(1) = 2x2x2x2x2-1
= 16 - 1
= 15
图5显示了这三种协议的性能。性能定义为与令牌DCF和IEEE 802.11 Mac协议相比，经过修改的令牌DCF(更改竞争窗口大小的附加进程)。
节点编号为50、55和60的节点性能下降。为了提高性能，使用Append进程将争用窗口的大小从16增加到64。最大节点很容易选择回退槽和减少，并在给定时间内成功传输。
此外，仍然不需要使用二进制指数回退算法，并且延迟不会增加。退步阶段-标准距离公式-
Bi = 2^(I+k) -1
我= 2
B(2) = 2^(2+4)-1
B(2) = 2^(6)-1
B(2) = 2x2x2x2x2x2-1
= 64 - 1
= 63
图4显示了这三种协议的性能。性能定义为与令牌DCF和IEEE 802.11 Mac协议相比，经过修改的令牌DCF(更改竞争窗口大小的附加进程)。
图5显示了三种协议的数据包接收情况。数据包接收定义为与令牌DCF和IEEE 802.11 Mac协议相比，在修改Token DCF(附加进程与改变竞争窗口大小)中接收的数据包数量。
图6显示了三种协议的数据包接收情况。数据包接收定义为与令牌DCF和IEEE 802.11 Mac协议相比，在修改Token DCF(附加进程与改变竞争窗口大小)中接收的数据包数量。
图7显示了这三种协议的丢包情况。丢包定义为与Token DCF和IEEE 802.11 Mac协议相比，经过修改的Token DCF(改变竞争窗口大小的附加进程)中丢失的包数。
图8显示了三种协议的丢包情况。丢包定义为与Token DCF和IEEE 802.11 Mac协议相比，经过修改的Token DCF(改变竞争窗口大小的附加进程)中丢失的包数。

7结论
本文提出了利用附加过程改变竞争窗口大小的Token-DCF的设计和性能评估方法。使用附加进程的令牌- dcf是一种分布式MAC协议，它使用机会监听机制来调度网络站在信道上的传输，并根据节点均值的增减来改变竞争窗口的大小。因此，我们得出结论，修改Token DCF，提高了效率，减少了空闲时间，碰撞时间，丢包和提高吞吐量。

数字一览
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图1 图2 图3 图4
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图5 图6 图7 图8

参考文献










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