KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.11
no.7
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pp.3446-3464
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2017
Backoff mechanism serves as one of the key technologies in the MAC-layer of wireless mobile networks. The traditional Binary Exponential Backoff (BEB) mechanism in IEEE 802.11 Distributed Coordination Function (DCF) and other existing backoff mechanisms poses several performance issues. For instance, the Contention Window (CW) oscillations occur frequently; a low delay QoS guarantee cannot be provided for real-time transmission, and services with different priorities are not differentiated. For these problems, we present a novel Multi-Priority service differentiated and Adaptive Backoff (MPAB) algorithm over IEEE 802.11 DCF for wireless mobile networks in this paper. In this algorithm, the backoff stage is chosen adaptively according to the channel status and traffic priority, and the forwarding and receding transition probability between the adjacent backoff stages for different priority traffic can be controlled and adjusted for demands at any time. We further employ the 2-dimensional Markov chain model to analyze the algorithm, and derive the analytical expressions of the saturation throughput and average medium access delay. Both the accuracy of the expressions and the algorithm performance are verified through simulations. The results show that the performance of the MPAB algorithm can offer a higher throughput and lower delay than the BEB algorithm.
Many portable devices are coming to be commercially successful and provide useful services to mobile users. Mobile devices may request a variety of data types, including text and multimedia data, thanks to the rich content of the Internet. Different types of data and/or different classes of users may need to be treated with different qualities of service. The implementation of service differentiation in wireless networks is very difficult because of device mobility and wireless channel contention when the backoff algorithm is used to resolve contention. Modification of the t)mary exponential backoff algorithm is one possibility to allow the design of several classes of data traffic flows. We present a study of modifications to the backoff algorithm to support three classes of flows: sold, silver, and bronze. For example, the gold c]ass flows are the highest priority and should satisfy their required target bandwidth, whereas the silver class flows should receive reasonably high bandwidth compared to the bronze class flows. The mixture of the two different transport protocols, UDP and TCP, in ad hoc networks raises significant challenges when defining backoff algorithm modifications. Due to the different characteristics of UDP and TCP, different backoff algorithm modifications are applied to each class of packets from the two transport protocols. Nevertheless, we show by means of simulation that our approach of backoff algorithm modification clearly differentiates service between different flows of classes regardless of the type of transport protocol.
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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v.19
no.6
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pp.1333-1340
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2015
IEEE 802.11 MAC(Media Access Control) defines DCF(Distributed Coordination Function) for data transmission control. BEB(Binary Exponential Backoff) algorithm of DCF has a problem that if the number of stations connected are over a certain threshold, it degrades network performance because of packet collisions caused from the minimum contention window size. To cope with this problem, we proposed a novel algorithm, named as VBS(Variable Backoff Stage) algorithm, which adjusts the rate of backoff stage increment depending on the number of stations associated with an AP(Access Point). Analytic model of proposed algorithm was derived and simulations on the BEB and the VBS algorithms have been conducted on the OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) method. Simulation results showed that when the rate of backoff state increment was 5 and 10, the number of retransmission were reduced to 1/5 and 1/10 comparing to that of BEB, respectively. Our algorithm showed improvement of 19% and 18% in network utilization, respectively. Packet delay was reduced into 1/12.
Journal of information and communication convergence engineering
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v.5
no.3
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pp.205-208
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2007
The IEEE 802.11 is a MAC protocol which has been standardized by IEEE for Wireless Local Area Networks (WLANs). In the IEEE 802.11 WLANs, network nodes experiencing collisions on the shared channel need to backoff for a random period of time, which is uniformly selected from the Contention Window (CW). This contention window is dynamically controlled by the Binary Exponential Backoff (BEB) algorithm. However, the BEB scheme suffers from a fairness problem; some nodes can achieve significantly larger throughput than others. This paper proposes a new backoff algorithm for the IEEE 802.11 DCF scheme. This algorithm uses the hop count for considering fairness. It causes flows with high hop count to generate short backoff interval than those with low hop count, thus getting high priority. Therefore, when a collision occurs, the modified IEEE 802.11 DCF assigns higher priority to flow to be close to a destination.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.4
no.6
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pp.1098-1115
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2010
An inseparable challenge associated with every random access network is the design of an efficient Collision Resolution Algorithm (CRA), since collisions cannot be completely avoided in such network. To maximize the collision resolution efficiency of a popular CRA, namely Binary Exponential Backoff (BEB), we propose a reactive backoff algorithm. The proposed backoff algorithm is reactive in the sense that it updates the contention window based on the previously selected backoff value in the failed contention stage to avoid a typical type of collision, referred as cross-collision. Cross-collision would occur if the contention slot pointed by the currently selected backoff value appeared to be present in the overlapped portion of the adjacent (the previous and the current) windows. The proposed reactive algorithm contributes to significant performance improvements in the network since it offers a supplementary feature of Cross Collision Exclusion (XCE) and also retains the legacy collision mitigation features. We formulate a Markovian model to emulate the characteristics of the proposed algorithm. Based on the solution of the model, we then estimate the throughput and delay performances of WLAN following the signaling mechanisms of the Distributed Coordination Function (DCF) considering IEEE 802.11b system parameters. We validate the accuracy of the analytical performance estimation framework by comparing the analytically obtained results with the results that we obtain from the simulation experiments performed in ns-2. Through the rigorous analysis, based on the validated model, we show that the proposed reactive cross collision exclusionary backoff algorithm significantly enhances the throughput and reduces the average packet delay in the network.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.30
no.6B
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pp.406-415
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2005
The standards which use shared medium like IEEE 802.11 wireless LAN have transmission opportunity by contention in contention period. If there are collisions in contention period, medium access control protocol may solve problem by using backoff algorithm. Backoff algorithm is important part in medium access control, but legacy backoff method which is used under IEEE 802.11 standards is not adjusted when load is heavy because of increasing collisions. In this paper, we propose a new load-based dynamic backoff algorithm in contention-based wireless shared medium to improve throughput of medium and to reduce the number of collisions. Proposed backoff algorithm can increase the network utilization about $20\%$ higher than that of binary exponential backoff algorithm.
Journal of the Korea Society of Computer and Information
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v.14
no.5
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pp.77-83
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2009
In this parer, an improved backoff algorithm is proposed by supplementing a multiple of persistence factor for IEEE 802.11 Wireless LAN MAC. This algorithm is proposed to complement the shortcomings of the conventional BEB (Binary Exponential Backoff) algorithm which is used for retransmission to control a new contention window in DCF/EDCF MAC. In channel utilization, collision rate and Goodput viewpoint, we analysis the improved backoff algorithm and compared the result with that of the conventional algorithm In this result, we showed that the performance for PFA backoff algorithm is 10% higher than that for the conventional BEB algorithm when the number of station is 40.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.17
no.3
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pp.1035-1048
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2023
The IEEE 802.11 WLAN adopts a random backoff algorithm for its collision avoidance mechanism, and it is well known that the contention-based algorithm may suffer from performance degradation especially in congested networks. In this paper, we design an efficient backoff algorithm that utilizes a reinforcement learning method to determine optimal values of backoffs. The mobile nodes share a common contention window (CW) in our scheme, and using a Q-learning algorithm, they can avoid collisions by finding and implicitly reserving their optimal time slot(s). In addition, we introduce Frame Size Control (FSC) algorithm to minimize the possible degradation of aggregate throughput when the number of nodes exceeds the CW size. Our simulation shows that the proposed backoff algorithm with FSC method outperforms the 802.11 protocol regardless of the traffic conditions, and an analytical modeling proves that our mechanism has a unique operating point that is fair and stable.
Ki, Hyung-Joo;Choi, Seung-Hyuk;Chung, Min-Young;Lee, Tae-Jin
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.31
no.12A
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pp.1229-1237
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2006
IEEE 802.11 has employed distributed coordination function (DCF) adopting carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA). To effectively resolve collisions, DCF uses binary exponential backoff (BEB) algorithm with three parameters, i.e., backoff stage, backoff counter and contention window. If a collision occurs, stations involving in the collision increase their backoff stages by one and double their contention window sizes. However, DCF with BEB wastes wireless resource when there are many contending stations. Therefore, in this paper, to enhance the performance of wireless LAN, we propose binary negative-exponential backoff (BNEB) algorithm which maintains a maximum contention window size during collisions and reduces a contention window size to half after successful transmission of a frame without retransmissions. For IEEE 802.11, 802.11a and 802.11b standards, we also compare the performance of DCF with BEB to that with BNEB.
The MAC of IEEE 802.11 WLAN to control data transmission uses two control methods called DCF and PCF. The DCF controls the transmission based on CSMA/CA The BEB backoff algorithm of DCF shows relatively excellent performance in situation that the number of competing station is less, but has a problem that performance of throughput and delay is degraded in situation that the number of competing station is increased. This paper mathematically analyzes an MIMD backoff algorithm considering retry limit that increases the CW to doubled after collision and decreases smoothly the CW to halves after successful transmission in order to reduce the collision probability. To prove efficiency of the MIMD backoff algorithm, lots of simulations are conducted and analyzed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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