基于IEEE802.11站點的MAC層協議改進機制研究

劉海蓉

摘 要： 以802.11MAC為研究對象，分析了基于802.11MAC的DCF協議基本原理，基于DCF協議的CSMA/CA算法的性能描述。提出CSMA/CA算法是采用二進制指數退避機制，利用最小退避窗口來進行傳輸、退避、重傳來達到減小發生碰撞次數和減少傳輸時間，從而實現數據信息傳輸誤差的最小化。

關鍵詞： IEEE802.11； MAC； DCF； 協作分集

中圖分類號： TP 319 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）04-0069-03

0 引 言

CSMA/CA算法是采用二進制指數退避機制，利用最小退避窗口來進行傳輸、退避、重傳來達到減小發生碰撞次數和減少傳輸時間，從而實現數據信息傳輸誤差的最小化。

針對DCF的CSMA/CA的算法，MAC層存在的網絡資源浪費的現象，本文提出了協作分集技術，它可以提高傳輸的質量和減小傳輸的時間。本文主要研究了協作分集中的AF算法以及最大合并比算法在MAC上，利用由于無線信號的廣播特性，無線傳輸用于特殊目的端可以聽到其他鄰近站點，要求這些鄰近站點轉發聽到的信息到最終目的站點，其中核心是高數據速率站點協助低數據速率站點，在這樣的傳輸中轉發它們的流量。在提出的協議中，使用監聽傳輸，每個低速率節點維護成一個表（CoopTable），每個表里有潛在的協作站點來協助它們完成傳輸。在傳輸過程中，任何一個低數據速率傳送節點要么選擇直接傳輸或通過一個輔助節點傳送，以減少總的傳輸時間。

1 集中協調功能（PCF）

IEEE802.11集中協調功能（PCF）控制權屬于集中式協調器（Point Coordinator，PC），在一般的情況下這個協調器就是AP本身，因此AP很多時候又被稱為PCPCF，這個協調器具有統領機制，要求所有的STA都工作于基礎網絡結構中更便利于控制，PC控制所有的STA的數據幀發送，以避免在有限的時間內進行競爭。無論是在后續還是在目前的MSDU或MMPDU分段中，最多的分段字段為1，其他時間置為0。無論是在哪一幀中只要執行為前面的數據幀再次發送數據就執行置1操作，同時在其他的幀中被置為0，以確保數據傳輸的穩定正確安全可靠。

PC總是會在每個無競爭期的開始都會對信道進行檢測，判斷信道所處的狀態，便于以后數據傳輸的實現。如果在檢測中發現信道處于空閑狀態時， PC就執行發送命令發送含CF參數集的信標幀STA。當信道接收到數據幀后，此時該信標的作用就是通過CF參數中的CFPMaxDuration值來實現它們NAV值更新，從而實現信息的更新。

圖1反映了典型的CFP的幀傳輸過程。圖1中，Ux表示的是被輪詢站點發送的數據，Dx表示的是PC發送給可輪詢站點的數據。它們之間存在如圖1所示的關系，當每一個CFP開始時，PC通過偵聽信道的狀態來發送數據幀，數據幀發送成功后，PC通過其控制權使得各STA通過信標數據幀中的CF參數中的CFPPeriod來更新本地的NAV[5]。等到站點1收到數據幀后，CF-ACK是對收到PC發送的數據幀的應答，起到一個回訪的作用，證明數據的接受。第二個階段就是PC對站點2的輪詢，通過發送Data+CF-ACK+CF-Poll幀， Data是發送給站點2的數據幀，CF-ACK主要的功能是對接收到站點1數據幀的應答，確定站點1數據的傳輸的情況。當PC輪詢到站點3時，假設PC對站點3的輪詢信息接受應答不成功，那么此時的數據幀的交換也就無法進行，等到輪詢結束后PC發送CF-End幀，通知各STA將NAV復位，進入競爭期。

2 IEEE 802.11 MAC協議性能分析

無線網絡和有線網絡存在較大的差別，無線傳輸和有線傳輸無論是在傳輸介質上還是在傳輸方式上都有不可等同的異議。其中在其傳輸層的概念上，最大的區別就是物理層的傳輸介質和 MAC 層的介質訪問協議不同。無線網絡是通過無線信號實現信號的傳輸，達到數據傳輸的目的。因為無線信號是通過無線傳播，在傳播的過程中就會很容易的受到外界環境影響，出現信號的耗損使無線信號出現衰落現象。所以無線網絡的缺點是無線信號傳播范圍有限、信號不穩定、傳播速度受多方面因素影響等。正因為這樣，如何建立有效的介質訪問協議，對于實現無線網絡更高質量的傳輸尤為重要。

對于無線網絡的介質共享協議性能方面的研究主要是關于ALOHA的性能研究。

對于IEEE 802.11 DCF的性能分析有以下幾點。

2.1 Bianchi 模型的分析

在無線局域網性能的分析中通過軟件建模顯得尤為重要。根據 DCF 的指數退避機制，Bianchi提出，假設在理想的狀態下，節點的信息固定不變，信道也處于理想的狀態下，就可以得出一個節點在一個隨機時刻所能發送數據幀的概率，由此可以推導出在飽和狀態下吞吐率的計算公式[6]，從而為DCF提供了較準確的分析，在很多的研究中都有引用過Bianchi在此的研究，多為基于Bianchi提出的Markov模型提出的翻版，也就是在一些小的性能上的修改，沒有在性能上突破。

2.2 仿真實驗的性能分析

IEEE 802.11 DCF有些分析不單是通過理論可以得出結論的，必須要通過仿真實驗才能實現性能的分析和評價，在仿真實驗上主要是通過在模擬實際的環境中進行操作，以得到實驗數據從而為分析提供有效的實際數據。如：如何控制數據幀的重傳次數，以達到數據傳輸的穩定可靠；在數據傳輸受控制后會產生的后果；在網絡傳輸中存在的負載，傳輸數據包的大小對網絡傳輸穩定性能的影響；DCF中節點數目和無線網絡穩定性之間的關系等。

至于現有關于IEEE 802.11 DCF性能的研究中，多半都是存在缺陷的，側重于性能吞吐率的分析而忽視了對延遲性能的研究，在實際的無線網絡傳輸中，延遲性能在無線網絡的質量中占有重要的地位。對DCF的延遲性能的分析，一方面是受無線網絡發展趨勢的影響，另一方面是技術的難度。伴隨著無線網絡技術的成熟以及無線網絡技術在人們生活中的應用，人們對無線網絡傳出性能的要求越來越高。現代網絡中出現的延遲性能的要求最重要的是受無線網絡MAC層和物理層的特點影響：當信道資源占用率太高時，就會引起數據的沖突；當信道出現競爭時，此時的網絡傳輸將會出現較高的延遲。對于這一問題的解決從根源下手主要就是提高信道的利用效率，實現信道傳輸的單一性。

3 IEEE 802.11 MAC協議性能改進

通過對IEEE 802.11 DCF的性能分析，從中得到有效的數據來實現系統的優化升級，使無線局域網的傳輸協議運行機制不斷地完善。

3.1 改進指數退避（Exponential Backoff）機制

為了避免其數據發送時產生沖突，在IEEE 802.11 DCF中，主要通過在一個節點發送數據幀來檢測信道所處的狀態：當檢測結果是信道處于忙的狀態時，這個節點將繼續偵聽有關信道的信息，直到偵聽到信道處于空閑的狀態信息為止；當得到信道處于空閑的狀態消息時，而且這個信息能夠持續一個DIFS時間段后，開始執行退避過程，此時對退避過程中所產生的信息數據將會保存在一個計數器中。在隨后的時間段內，數據幀就要不間斷的偵聽信道狀態：當得知信道為空閑的狀態時就自動實現對計數器減1，如果不能實現該操作那么計數器將處于休眠狀態；當道下一個信道處于空閑的狀態時，并且還能夠持續DIFS時間段后激活計數器。當退避時間計數器計所顯示的數值再次為0時，這個節點才會執行數據幀的發送命令。

節點的作用就是維護的競爭窗口參數CW，起到一個確定的作用，它的工作區間是處于由物理層特征決定的CWmin和CWmax之間。在標準的DCF中，CW的最小值為CWmin。如果一個節點的數據發送失敗了，此時就需要重新發送數據才能占有數據發送成功的機率。此時該節點的CW就會增加直到增加到CWmax。當數據幀需要連續不間斷重傳時，CW的值將會保持在CWmax狀態，直到該節點發送成功，CW將被重新置為CWmin。

為了更加高效的實現數據的傳輸，提高無線網絡的利用效率，使無線信道得到充分的利用，就需要針對原有的DCF機制所存在的問題進行相應的改進，方法有：（1）修改競爭窗口CW大小，優化信道的利用效率；（2）修改競爭窗口CW的重置機制，實現數據的更高效、更穩定傳輸。實際上，數據的發送并不能保證一次性發送成功。如果數據能一次性發送成功，那么也不是數據的阻塞就不會產生，只是會降低阻塞的概率。如果出現數據的阻塞將會是一個很麻煩的問題，所以當數據阻塞出現時，對于阻塞現象的消除是很重要的，但在DCF中不可能實現瞬間解決。如果數據發送成功就立即將CW重置為CWmin，這樣的操作就會更加容易引起數據傳輸途中的沖突，從而引起網絡阻塞，吞吐率不佳，這就需要一種有效的機制來解決這個問題，隨后提出了CW的慢遞減機制，將有效的解決這一現象，CW的慢遞減機制主要是在數據發送成功后，并不是立即重置CW為CWmin，而是在實際的情況下來完成緩慢遞減，直到CWmin；并且還可以設定不同的增長機制，為不同的優先等級的CW服務。

3.2 動態調整初始競爭窗口大小

IEEE 802.11無線網絡競爭窗口大小取決于物理層的特性。在DCF協議中，初始競爭窗口是固定值，不會受外在因素的影響發生變化，這樣就容易產生的問題是：如果在網絡中參與競爭信道的節點數比較多時，就會導致出現沖突的概率增加，這樣就會使網絡傳輸不穩定，傳輸效率下降，降低網絡性能。

從根源著手，根據信道競爭節點數的數量來調整初始競爭窗口的值，是解決DCF性能問題的一種有效的方式。但是現在對于網絡中的活動節點數目多半都是通過一種或是某種估算得到的，這些估算并不能有效反應出實際存在的網絡節點數，這直接就會導致對競爭窗口的大小計算也不會有一個準確的數值。除此之外，在眾多的研究中都是片面的對吞吐率的優化進行的研究，而忽視了在延遲性能方面的研究，網絡延遲在現在這個高速發展的社會將是網絡效率低下的問題關鍵，所以片面的研究存在一定的局限性。

4 結束語

無線網絡系統中的協作分集在發送端主要的工作就是發送多個信號副本，接收端主要就是對發送端所傳來的數據包實現接收并進行合并，從而降低信號在傳輸途中的衰落現象。根據原有的特點在不斷改進創新的從而實現傳輸信號的穩定性和傳輸可靠性能的提升。

參考文獻：

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（責任編輯：徐興華）