MAC协议优化算法仿真实验分析

　　本文利用仿真实验对P_PBA算法性能进行验证，并与IEEE 802.11标准退避算法、一阶SD算法进行比较。为 简化模型，假设信道为理想信道，且不存在隐藏终端。我们在100m×100m的区域内放置64个节点，各节点通 信半径为300m，节点每秒产生数据帧平均为20个，选取两种平均长度为128字节和1024字节的数据帧，分别 代表短帧业务和长帧业务。实验开始时有8个活跃节点，每50秒增加8个活跃节点，350s后不再增加新的活跃 节点，仿真时间为500S。实验过程通过网络中活跃节点的增加，网络拥塞程度不断加大，来考察各算法的性 能。仿真参数如表1所示。

表1 IEEE 802.11仿真参数表

　　为验证P_PBA算法的性能，我们选取以下性能指标：接人时延，吞吐量，丢帧率。接入时延指数据帧从在 高层发送队列到得知发送成功的时间长度。吞吐量为单位时间节点成功接收数据帧的比特数。丢帧率为每秒 丢弃数据帧的比特数。随着网络竞争程度的变化，P_PBA算法通过时隙利用率可以准确得到网络的繁忙程度 ，从而合理地设置成功发送后的竞争窗口值，有效避免碰撞，提高网络性能。

　　图1和图2分别显示了在不同长度数据帧业务情况下，随着节点个数的增加，IEEE 802.11标准退避算法、 一阶SD算法和P￣PBA算法的网络吞吐量比较。我们可以看出，IEEE 802．11标准退避算法随着节点增多，吞 吐量也在不断增大，在达到一定程度后，开始急剧下降，这是由于随着活跃节点增多，碰撞概率增大，造成 重传次数增多，导致网络性能恶化。在相同节点个数和数据帧业务下，P_PBA算法的吞吐量均优于SD算法和 IEEE 802.11算法，主要因为P_PBA算法通过每个节点计算时隙利用率，准确地记录节点网络的拥塞程度。节 点通过概率夕来确定竞争窗口大小，规划节点的下次发送动作，降低碰撞概率，改善网络吞吐量。在不同数 据帧业务和节点个数下，图3和图4分别显示了IEEE 15VL.11算法、SD算法和P PBA算法的时延特性。在网络 中，随着活跃节点增加，各算法的时延特性均逐步恶化，但由于P_PBA能更准确地估计网络当前状态，有效 地设置退

图1 无线局域网系统吞吐量（帧长1024字节）

图2 无线局域网系统吞吐量（帧长128字节）

图3 无线局域网系统接人时延（帧长1024字节）

　　避计时器的值，减少不必要的碰撞，降低重传次数，因此时延性能优于其他算法。同理，根据图5和图6可以 看出P_PBA算法通过概率的判断降低了无效的碰

图4 无线局域网系统接人时延（帧长128字节）

　　撞，同时使得节点大概率保持在同一竞争窗口值上，因此减少了因时隙选择不均匀而导致的碰撞。P PBA算 法及协议改进后产生的增益如表2和表3。

图5  无线局域网数据丢帧率（帧长1024字节）

图6 无线局域网数据丢帧率（帧长128字节）

　　表2 短数据帧（128字节）情况下均匀采样取实验平均值的增益对比

　　表3 长数据帧（1024字节）情况下均匀采样取实验平均值的增益对比表格

注：①时延增益＝（标准算法时延一算法时延）／标准算法时延；
　　②吞吐率增益＝（算法吞吐率一标准算法吞吐率）／标准算法吞吐率；
　　③丢帧率增益＝（标准算法丢包率一算法丢包率）／标淮算法丢包率。

　　网络负载轻时，退避空闲时隙多，时隙利用率低，节点的竞争窗口在发送成功后，能以大概率变为最小值 ，减少了空闲的退避时隙。随着活跃节点增多，网络的竞争等级升高，时隙利用率变大，节点的竞争窗口值 以大概率保持不变，减少了碰撞的概率。在标准协议性能急剧恶化时，P_PBA算法保持了良好的吞吐率，在 同等条件下，吞吐率也优于SD算法；并且在网络时延上，P_PBA算法明显优于IEEE 802.11和SD算法，对时延 敏感的业务有重要的意义。