Performance Modeling of IEEE 802.11 DCF Based Fair Channel Access for Vehicular-to-Roadside Communication in a Non-Saturated State

作者：吴琼(东南大学博士）

一、摘要

　　本文考虑了车辆自组网中的公平接入问题，建立了一个分析模型，分析了基于IEEE 802.11 DCF的非饱和状态下的公平信道接入协议的性能。推导了非饱和状态下，车辆的最小竞争窗口大小与车辆的传输概率之间的关系，以及车速与车辆的最小竞争窗口大小之间的关系。基于该分析模型，可以确定给定速度下车辆的最小竞争窗口大小，以实现不同车辆之间的公平竞争。仿真结果验证了该分析模型的有效性。

 二、前言

　　在车辆自组网(VANET)中，通信可能发生在车辆之间或车辆与路边单元或接入点(AP)之间。在很多情况下，多个车辆需要同时通过一个公共通道访问一个AP，这会导致数据冲突和公平访问问题。为了解决这一问题，需要采用一种有效的媒体访问控制(MAC)协议来协调多车的信道访问。IEEE 802.11是经典的MAC协议标准，广泛应用于无线通信网络[1]。IEEE 802.11标准的基本访问机制是分布式协调功能(DCF)，它是一种基于载波感知多址的随机访问机制，具有避撞功能(CSMA/CA)。然而，与传统的无线网络相比，VANET具有一些独特的特性[2-3]。例如，车辆通常只有两个移动方向，并在十字路口改变其移动方向;车辆通常以10m/s~40m/s的速度行驶，这使得网络的拓扑结构具有很强的动态性。这些独特的特性使得IEEE 802.11 DCF无法有效地协调VANET中的信道访问，从而给VANET的MAC协议设计带来了新的挑战。

　　VANET出现的一个典型问题是公平接入问题，即，以较高速度行驶的车辆与以较低速度行驶的车辆相比，没有相同的机会与路边的AP进行通讯。在为VANETs[4]提出的大多数现有MAC协议的设计中都没有考虑到这个问题。为了解决这个问题，Karamad和Ashtiani提出了一种改进的基于IEEE 802.11 DCF的MAC协议[5]，该协议允许车辆通过改变其最小竞争窗口的大小来动态调整其传输概率，从而达到公平接入效果。该工作假设网络中的每个节点都处于饱和状态，即，节点总是有数据要传输到AP。建立了一个分析模型来分析所提出的MAC协议在饱和状态下的性能。然而，在现实世界中，来自许多应用程序的数据具有突发的性质，这意味着车辆可能并不总是有数据要传输到AP，因此常常处于非饱和状态。在这种情况下，不同车辆之间仍然存在公平接入问题，会影响网络性能。因此，开发一个分析模型来分析基于IEEE 802.11 DCF的公平通道访问协议在非饱和状态下的性能，以实现公平访问是很有帮助的，这也是我们工作的动机。

　　在本文中，我们考虑了公平接入问题提出了一种非饱和状态下基于IEEE 802.11 DCF的公平信道接入协议性能分析模型。推导了非饱和状态下车辆的传输概率与最小竞争窗口大小之间的关系，以及速度和最小竞争窗口大小之间的关系。根据分析模型，为了在不同车辆之间实现公平的访问，可以确定给定速度下车辆的最小竞争窗口大小。通过仿真实验验证了该分析模型的有效性。

　　论文的其余部分组织如下。第二部分介绍了VANETs中的公平接入问题，并对相关工作进行了回顾。第三节推导了非饱和状态下基于IEEE 802.11 DCF的公平信道接入协议的性能分析模型。第四部分给出了仿真结果，验证了所推导的解析模型的有效性。第五部分是本文的结论。

 三、正文

2.1 公平接入问题

考虑这样一个网络模型:车辆行驶在一个接入点(AP)覆盖在道路一侧的固定位置上的直线路上。假设车辆按泊松过程的速率分批到达网络，且每辆车的运动方向不变。每个批次的大小均匀分布在[0,b]中，其中b为整数。在AP覆盖范围内，每批车辆的速度相同，车辆停留时间内每批车辆的速度不变，且每批车辆的速度是独立均匀分布的。图1给出了一个网络场景的示例，其中有3批车辆在直线路上行驶。车辆1-3在第1批，车辆4在第2批，车辆5和6在第3批。车辆进入AP覆盖区域后，需要与AP进行通讯。

假设网络中的所有车辆都使用802.11 DCF MAC协议，具有相同的最小竞争窗口大小和相同的最大回退阶段来访问AP，在这种情况下，不同的车辆具有相同的传输概率。不同速度的车辆需要不同的时间通过AP的覆盖范围,从而有不同的机会与AP通信。因此,和较慢速度的车辆相比，车速较快的车辆与AP通信的机会就越少,因此传输更少的数据。这个问题被称为公平访问问题，它会在很大程度上影响提供给用户的服务质量(QoS)性能，因此成为MAC协议设计中的一大关注点。

2.2 相关工作

（1）IEEE 802.11DCF

在IEEE 802.11标准中，基本的访问机制是基于CSMA/CA的DCF。在DCF中，冲突发生后重传遵循指数回退规则。当一个节点要传输一个包时，它首先从(0,W-1)中随机选择一个数字，并将这个数字设置为它所维护的一个计时器，其中W是节点的竞争窗口。然后，如果通道是空闲的，计时器在每个时隙后倒数计时。如果通道繁忙，计数过程将停止。当通道再次空闲并在分布式帧间空间间隔(DIFS)中保持空闲时，定时器继续其计数过程。当定时器到达0时，数据包被传输。如果在短帧间空间(SIFS)之后没有返回ACK消息，则认为传输不成功。在这种情况下，节点从(0,2w -1)中随机选择另一个数字，并重复上述过程，直到达到最大竞争窗口大小。当数据包成功传输时，争用窗口大小被重置为最小值。有关IEEE 802.11标准的更多细节，请参考[1]。

（2）相关工作

为了解决公平访问问题，Karamad和Ashtiani提出了一种改进的基于IEEE 802.11 DCF的MAC协议，用于VENAT[5]的公平访问。该协议基于这样的观察:如果分配给高速行驶车辆的时间比分配给低速行驶车辆的时间多，那么高速行驶的车辆就有更多机会与AP通信。它允许车辆通过改变其最小竞争窗口的大小来调整其传输概率，以达到公平的接入效果。此外，他们分析了所提出的MAC协议在饱和状态下的性能，并通过近似推导出速度与车辆最小竞争窗口之间的关系。该模型基于Bianchi的[5]模型，其假设如下:

1) 网络中每个节点都处于饱和状态;

2) 无论特定节点或节点当前状态如何，时隙内的碰撞概率均为常数;

3) 传输误差仅由数据碰撞引起，未考虑传输通道的影响。

Bianchi模型只适用于网络中所有节点处于饱和状态[6]的情况，不适用于非饱和状态。Duffy等人基于Bianchi的模型，在[7]中提出了无线局域网(WLANs)的Markov模型，分析了IEEE 802.11 DCF在网络处于非饱和状态，不同节点具有相同流量负载时的性能。Malone等人在[8]中提出了WLANs的Markov模型，分析了IEEE 802.11 DCF在网络处于非饱和状态，不同节点具有不同的流量负载时的性能。然而，这两种分析模型都没有考虑VANETs中的公平接入问题。据我们所知，在VANETs中基于IEEE 802.11 DCF的非饱和状态下的公平信道访问协议的性能建模方面，目前还没有相关的文献报道，这促使我们进行了这项工作。