优先级回退算法性能分析

　　信道利用率的高低和高优先级分组能否优先占有无线信道资源是无线信道访问协议的两个重要性能指标。通过采用优先级退避算法,类802.11的改进型信道争用协议为网络提供了优先级区分服务,有效改善了高优先级分组的性能。给出该类协议的性能分析结果对于进一步的协议提升有重要参考价值。

　　在文献[1～3]中对于不区分优先级的IEEE802.11 WLAN信道利用率进行了定量的分析,并针对分析的结果给出了协议的改进方法。目前区分优先级的类802.11协议的网络容量分析多采用二维马尔科夫链的方法,分析起来比较复杂。本文在网络中只有2个级别优先级分组的情况下,借鉴文献[1]中的结论和方法对网络信道利用率进行了分析。为该类型协议性能的完整分析提供了一种简单的模型。

　　1　非区分优先级网络性能分析

　　在文献[1]中给出了一种按照几何分布分析IEEE 802.11 DCF协议性能的方法。根据802.11协议,用I来代表一个结点发送一个报文所经历的发送次数(包括一次发送成功,或先经历n次发送失败然后发送成功,也包括一直失败直到最后因超过重发次数而丢弃的情况),则一个结点发送一个报文要经历I个退避过程(当负荷稳定、活跃结点数确定的情况下I的统计值是一个定值),退避时间长度为{B1,B2,…,BI},它们分别是从I个竞争窗口{C1,C2,…,CI}中经均匀抽样而选择出来的。用E[B]表示{B1,B2,…,BI}的均值,用E[C]表示{C1,C2,…,CI}的均值。E[B]和E[C]的单位均为时隙数(slot)。

　　该方法假设各个活跃结点的平均回退时间为E[B],并且结点的每次发送在E[B]个时隙中随机的选择,从而每个特定时隙(帧听到信道空闲的时隙)某个结点参予竞争的概率p应当服从(0,E[B])中的均匀分布。

　　文献[1]中的定理2推出平均回退值和平均竞争窗口之间的关系

　　对于E[C]的求解,文献[1]中采用了迭代的方法,并且证明了算法的收敛性。在求解E[C]的过程中用到了网络分组的冲突概率Pcoll,该冲突概率是局外观察者冲突概率,可以描述为Pcoll=P{某个时隙发送节点数≥2 某个时隙发送节点数≥1} =

　　文献[1]中求解网络性能方法的一个突出特点就是提出了虚拟发送时间tv的概念,如图1所示。在文献[1]的分析中,没有考虑采用RTS,所以冲突时

　　间通常都是冲突数据分组中较长的分组发送时间。在下面对区分优先级网络的分析中,认为网络中的所有分组的发送都要经历RTS-CTS-DATA-ACK的过程。在全连通的网络中,可以认为每个空闲结点都可以监听到RTS和CTS,因此可以将冲突时间认为是发送RTS的时间,并将描述虚拟发送时间的公式修改如式(4)。

　　其中:E[Nc]为成功发送一个报文前所经历的碰撞次数的均值;E[S]表示一次成功发送所占用的信道时间的均值;E[I]表示一次成功发送中所包含的空闲时间的均值。假设网络中的活跃结点数为M,trts、tcts、tdata、tack分别为RTS、CTS、数据和ACK的发送时间。如果多个结点选择相同的时隙发送,则会发生RTS冲突,碰撞的时长为trts。文献[1]中给出