WAVE网络中基于DCF的信道预约方案的时延分析

刘娇， 朱东弼

( 延边大学工学院 计算机科学与技术学科, 吉林 延吉 133002 )

WAVE网络中基于DCF的信道预约方案的时延分析

刘娇， 朱东弼*

( 延边大学工学院 计算机科学与技术学科, 吉林 延吉 133002 )

以车载环境下的无线接入(wireless access in vehicular environments， WAVE)网络中基于DCF的信道预约方案为基础，通过排队论的分析方法得出了采用该方案时系统中用户预约服务信道所需的平均时延，并研究了系统的主要参数对该平均时延的影响.研究结果表明，预约数据包生成的速率和最小竞争窗口对平均时延影响较大，最大退避阶数对平均时延影响较小.

WAVE； DCF机制； 信道预约； 时延

随着通信产业和交通业的迅速发展，智能交通系统(intelligent transport systems, ITS)的应用越发广泛.其中车载环境下的无线接入(wireless access in vehicular environments，WAVE)是ITS的重要组成部分，它主要利用车辆自身的无线设备来实现车辆之间、车辆和路边基础设施之间的无线通信.WAVE以IEEE 802.11p和IEEE 1609.4协议作为其行为标准[1-2]，在IEEE 1609.4协议中将固定长度为100 ms的同步时隙分为相同长度的控制信道(control channel， CCH)时隙和服务信道(service channel，SCH)时隙，其中CCH是公共信道，主要提供与车载通信网络安全性相关的信息，而SCH用于支持非安全性相关信息的传送.若用户要使用SCH，必须先通过CCH发送请求发送(request for send，RFS)数据包预约SCH后才可以使用SCH.但是，在IEEE 1609.4协议标准中，固定的时隙长度分配限制了网络的性能，使得网络无法根据当前的负载状况对信道时隙长度做出自适应调整.近年来，学者们针对如何根据网络状态动态调整信道时隙长度做了一些研究[3-5]，这些文献在对动态调整信道时隙长度的信道预约方案进行性能分析时，主要是以吞吐量作为系统的主要性能指标.但是，用户预约SCH所需的平均时延对系统的性能同样有着不可忽视的影响，而这些文献中并没有对该性能指标进行分析.鉴于此，本文以基于DCF的信道预约方案为基础，探讨了系统中主要参数对用户预约服务信道所需平均时延的影响.

1 系统模型

WAVE网络中的用户与路边单元(road-side unit, RSU)进行数据的发送/接收时，需要在CCH上采用分布式协调功能(distributed coordination function， DCF)机制发送RFS数据包预约SCH.用户采用文献[6]中的信道预约方案预约，若有空闲的SCH，则RSU给需要的用户分配一个SCH，并发送一个包含SCH ID和传输机会(transmit opportunity,TXOP)的ACK作为回应.用户接收到ACK后立即切换到分配的SCH上，并在TXOP时间内进行数据传送.若没有空闲的SCH，则RSU给用户发送NAK，用户进入退避阶段.其中，用户在发送数据的过程中一直在SCH上，只有当数据发送成功后才能再次切换到CCH参与下一次竞争.

若在发送数据过程中有其他用户同时发送数据，则会发生碰撞.当发生碰撞时，用户的竞争窗口扩大一倍，并在该窗口值范围内重新选择退避计数器的初始值，再次进入退避过程.在退避过程中竞争窗口的值不会无限增大，竞争窗口的最大值为CWmax=2m(CWmin+1)-1， 其中m为最大退避指数.竞争窗口到达最大值后保持不变，直到用户成功发送RFS数据包， 此时CW将被重置为CWmin.

2 时延分析

用户预约SCH所需的平均时延与传送RFS数据包的概率τ和发生碰撞的概率Pcoll有关，为求出概率τ， 通过跟踪观察单个用户的概率特性，以Bianchi模型[7]为基础，构建基于DCF的信道预约方案的马尔科夫分析模型.

图1 马尔科夫状态转移图

令b(t)表示t时刻用户退避计数器的值， s(t)表示用户在t时刻的退避阶数，且

(1)

图1中Pcoll为用户在传送RFS数据包过程中发生碰撞的概率(包括没有空闲SCH的情况).在分析过程中假设不论用户传送RFS数据包失败多少次，该数据包与其他数据包的碰撞概率Pcoll始终保持不变，即退避计数器的值与传输历史无关.所以，设Wi为第i退避阶的竞争窗口值.

在本文建立的模型中，单步的状态转移概率表达式为：

(2)

用户在退避计数器的值减为0时开始传送数据，用户在任意时隙传送RFS数据包的概率为τ， 则

由于超导磁场储能型微网所选取的材料为非导磁性材料,而导线的辐向宽度较小,因而在工频状态下磁场透入深度往往高于绕组[8]的尺度,因而从绕组涡流对漏磁场的反影响而言,能够将绕组分割为非涡流区间。通过漏磁场测算后,可选取电网导体损耗测算方式获得绕组线圈的涡流损耗,如式(11),式(12)所示:

(3)

其中W=CWmin， Pg为生成RFS数据包的概率，即

Pg=Pidlee-λ σ+Psucce-λ Tsucc+Pcolle-λ Tcoll，

(4)

在多信道的情况下，用户传送RFS数据包发生碰撞的概率Pcoll包含两种情况：一是当用户传送RFS数据包时有其他用户同时传送RFS数据包，导致碰撞的发生；二是用户在CCH上虽然成功地传送了RFS数据包给RSU，但是没有空闲的SCH分配给用户.因此，用户传送RFS数据包的碰撞概率Pcoll可表示为

(5)

令Pidle，Psucc，Pcoll分别表示CCH上的一般时隙为空闲时隙、成功时隙和碰撞时隙的概率，则有：

(6)

其中ρ为用户的利用率.由于用户的平均服务时间为在CCH上预约SCH所需的平均时延与在SCH上传送数据所需时间之和， 所以有

(7)

(8)

(9)

3 性能比较

为考察系统的性能参数(数据包的生成速率、最大退避阶数和最小竞争窗口)对用户预约SCH所需平均时延的影响，假设系统中有6个服务信道，即K=6，用户传送数据的长度设为LDATA=500 KB，传输速率设为R=6 Mbps.当系统的性能参数中有一个发生变化而其余参数固定时，平均时延的变化情况如图2、图3和图4所示.

图2显示了RFS数据包的生成速率对用户预约SCH所需平均时延的影响，其中RFS数据包的生成速率取了3个不同的值(λ=0.01,0.015,0.02)， m=5， CWmin=3.由图2可知：①当系统中用户逐渐增多时，平均时延也增大，当用户数大于60后，平均时延的增长幅度变大.这是因为系统中用户越多，用户预约SCH的竞争越大，发生碰撞的概率越大，相应地用户预约SCH的平均时延也越大.②随着RFS数据包生成速率的增加，用户预约SCH所需的平均时延也随之增加.这是因为RFS数据包生成的速率增加，系统中等待传送的RFS数据包增多，增加了传送过程中发生碰撞的概率，因此所需的平均时延随之增加.

图3显示了最大退避阶数取值不同时，用户预约SCH所需平均时延的变化过程，其中最大退避阶数取了3个不同的值(m=3,4,5)， λ=0.02， CWmin=3.由图3可以看出，当用户数低于100时，最大退避阶数取不同数值时平均时延几乎相等，即用户数较少时最大退避阶数对用户预约SCH所需的平均时延几乎无影响.但是当用户数增加到一定程度时，最大退避阶数对用户预约SCH的平均时延产生影响，并且最大退避阶数越大，平均时延越小.这是因为最大退避阶数越大，用户处于退避状态的时间越长，与其他用户发生碰撞的概率越小，所以预约SCH所需的平均时延就越小.

图4显示了最小竞争窗口取值不同时，用户预约SCH所需平均时延的变化过程，其中最小竞争窗口取3个不同的值(CWmin=3,7,15)， m=5， λ=0.02.从图4可以看出，当用户数低于60时，最小竞争窗口越小平均时延越小；而当用户数大于60时，最小竞争窗口越小平均时延反而越大.这是因为用户数少时，用户在系统中的竞争不激烈，最小竞争窗口小，即处于退避的时间短，可以较快地传送RFS数据包，因而时延小；而当用户数明显增多时，用户在系统中的竞争激烈，若用户处于退避阶段的时间减少，则发生碰撞的概率增加，相应地平均时延也增加.

图2 RFS数据包的生成速率对平均时延的影响

图3 最大退避阶数对平均时延的影响

图4 最小竞争窗口对平均时延的影响

4 结论

本文以WAVE网络中基于DCF的信道预约方案为基础，通过构建马尔科夫分析模型，并采用排队论的分析方法，得出了系统中用户预约SCH所需的平均时延的表达式.通过性能比较得知，RFS数据包的生成速率和最小竞争窗口对用户预约SCH的平均时延有不可忽视的影响，而最大退避阶数只在用户数达到一定数量时才会对平均时延有影响.本文的研究结果有助于提高车载通信网络的性能，但本文研究的信道预约方案在用户处于非饱和状态条件下的性能有待进一步研究.

[1] IEEE 802.11p. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 6: Wireless Access in Vehicular Environments[S]. IEEE Standard Board, 2010.

[2] IEEE 1609.4. IEEE Trial-Use Standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) Multi-channel Operation[S]. IEEE Standard Board, 2006.

[3] Wang Q, Su P L, Fu H R, et al. An enhanced multi-channel MAC for the IEEE 1609.4 based vehicular Ad Hoc networks[C]//Curran associates. IEEE INFOCOM 2010 Proceeding. San Diego: IEEE Press，2010：1-2.

[4] Zhu D B, Zhu D D. Performance analysis of a multi-channel MAC with dynamic CCH interval in WAVE system[C]// Lu Q. Systems engineering and modeling. Beijing: Atlantis Press, 2013：1160-1163.

[5] 崔纪平,朱东弼.无线车载网络MAC协议算法之性能探究[J].电子测试,2013(13):9-12.

[6] 刘娇，朱东弼.WAVE网络中多信道MAC协议探讨[J].科技创新与应用,2014(27):74.

[7] Bianchi G. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communication, 2000,3(18):535-547.

Delay analysis of channel reservation scheme based on DCF for WAVE network

LIU Jiao, ZHU Dongbi*

(DepartmentofComputerScience&Technology,CollegeofEngineering,YanbianUniversity,Yanji133002,China)

We obtain the delay by queue analysis method based on the channel reservation scheme with DCF in WAVE (wireless access in vehicular environments), the delay is the duration from the arrival epoch at the head of the queue to transmission completion point. We research the influence of the main performance parameters on the average delay. The result shows that the generation rate of reservation packet and the minimum contention window have a great influence on the delay, and the maximum backoff stage almost have no effect on the delay.

WAVE; DCF mechanism; channel reservation; delay

2015-01-26

1004-4353(2015)01-0037-05

TN915

A

*通信作者： 朱东弼(1967—)，男，教授，研究方向为通信网MAC协议、通信网性能分析及排队论模型分析.