基于IEEE802.11站點的MAC層協(xié)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(xié)議基本原理，基于DCF協(xié)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(shù)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(fā)生碰撞次數(shù)和減少傳輸時間，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸誤差的最小化。

關(guān)鍵詞： IEEE802.11； MAC； DCF； 協(xié)作分集

中圖分類號： TP 319 文獻標(biāo)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(shù)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(fā)生碰撞次數(shù)和減少傳輸時間，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)資源浪費的現(xiàn)象，本文提出了協(xié)作分集技術(shù)，它可以提高傳輸?shù)馁|(zhì)量和減小傳輸?shù)臅r間。本文主要研究了協(xié)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(zhuǎn)發(fā)聽到的信息到最終目的站點，其中核心是高數(shù)據(jù)速率站點協(xié)助低數(shù)據(jù)速率站點，在這樣的傳輸中轉(zhuǎn)發(fā)它們的流量。在提出的協(xié)議中，使用監(jiān)聽傳輸，每個低速率節(jié)點維護成一個表（CoopTable），每個表里有潛在的協(xié)作站點來協(xié)助它們完成傳輸。在傳輸過程中，任何一個低數(shù)據(jù)速率傳送節(jié)點要么選擇直接傳輸或通過一個輔助節(jié)點傳送，以減少總的傳輸時間。

1 集中協(xié)調(diào)功能（PCF）

IEEE802.11集中協(xié)調(diào)功能（PCF）控制權(quán)屬于集中式協(xié)調(diào)器（Point Coordinator，PC），在一般的情況下這個協(xié)調(diào)器就是AP本身，因此AP很多時候又被稱為PCPCF，這個協(xié)調(diào)器具有統(tǒng)領(lǐng)機制，要求所有的STA都工作于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中更便利于控制，PC控制所有的STA的數(shù)據(jù)幀發(fā)送，以避免在有限的時間內(nèi)進行競爭。無論是在后續(xù)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(zhí)行為前面的數(shù)據(jù)幀再次發(fā)送數(shù)據(jù)就執(zhí)行置1操作，同時在其他的幀中被置為0，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)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(tài)，便于以后數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)。如果在檢測中發(fā)現(xiàn)信道處于空閑狀態(tài)時， PC就執(zhí)行發(fā)送命令發(fā)送含CF參數(shù)集的信標(biāo)幀STA。當(dāng)信道接收到數(shù)據(jù)幀后，此時該信標(biāo)的作用就是通過CF參數(shù)中的CFPMaxDuration值來實現(xiàn)它們NAV值更新，從而實現(xiàn)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(fā)送的數(shù)據(jù)，Dx表示的是PC發(fā)送給可輪詢站點的數(shù)據(jù)。它們之間存在如圖1所示的關(guān)系，當(dāng)每一個CFP開始時，PC通過偵聽信道的狀態(tài)來發(fā)送數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功后，PC通過其控制權(quán)使得各STA通過信標(biāo)數(shù)據(jù)幀中的CF參數(shù)中的CFPPeriod來更新本地的NAV[5]。等到站點1收到數(shù)據(jù)幀后，CF-ACK是對收到PC發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的應(yīng)答，起到一個回訪的作用，證明數(shù)據(jù)的接受。第二個階段就是PC對站點2的輪詢，通過發(fā)送Data+CF-ACK+CF-Poll幀， Data是發(fā)送給站點2的數(shù)據(jù)幀，CF-ACK主要的功能是對接收到站點1數(shù)據(jù)幀的應(yīng)答，確定站點1數(shù)據(jù)的傳輸?shù)那闆r。當(dāng)PC輪詢到站點3時，假設(shè)PC對站點3的輪詢信息接受應(yīng)答不成功，那么此時的數(shù)據(jù)幀的交換也就無法進行，等到輪詢結(jié)束后PC發(fā)送CF-End幀，通知各STA將NAV復(fù)位，進入競爭期。

2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議性能分析

無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)存在較大的差別，無線傳輸和有線傳輸無論是在傳輸介質(zhì)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(qū)別就是物理層的傳輸介質(zhì)和 MAC 層的介質(zhì)訪問協(xié)議不同。無線網(wǎng)絡(luò)是通過無線信號實現(xiàn)信號的傳輸，達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。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(huán)境影響，出現(xiàn)信號的耗損使無線信號出現(xiàn)衰落現(xiàn)象。所以無線網(wǎng)絡(luò)的缺點是無線信號傳播范圍有限、信號不穩(wěn)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(zhì)訪問協(xié)議，對于實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)更高質(zhì)量的傳輸尤為重要。

對于無線網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)共享協(xié)議性能方面的研究主要是關(guān)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(wǎng)性能的分析中通過軟件建模顯得尤為重要。根據(jù) DCF 的指數(shù)退避機制，Bianchi提出，假設(shè)在理想的狀態(tài)下，節(jié)點的信息固定不變，信道也處于理想的狀態(tài)下，就可以得出一個節(jié)點在一個隨機時刻所能發(fā)送數(shù)據(jù)幀的概率，由此可以推導(dǎo)出在飽和狀態(tài)下吞吐率的計算公式[6]，從而為DCF提供了較準(zhǔn)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(jié)論的，必須要通過仿真實驗才能實現(xiàn)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(huán)境中進行操作，以得到實驗數(shù)據(jù)從而為分析提供有效的實際數(shù)據(jù)。如：如何控制數(shù)據(jù)幀的重傳次數(shù)，以達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠；在數(shù)據(jù)傳輸受控制后會產(chǎn)生的后果；在網(wǎng)絡(luò)傳輸中存在的負載，傳輸數(shù)據(jù)包的大小對網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定性能的影響；DCF中節(jié)點數(shù)目和無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性之間的關(guān)系等。

至于現(xiàn)有關(guān)于IEEE 802.11 DCF性能的研究中，多半都是存在缺陷的，側(cè)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(wǎng)絡(luò)傳輸中，延遲性能在無線網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)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(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢的影響，另一方面是技術(shù)的難度。伴隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟以及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在人們生活中的應(yīng)用，人們對無線網(wǎng)絡(luò)傳出性能的要求越來越高?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的延遲性能的要求最重要的是受無線網(wǎng)絡(luò)MAC層和物理層的特點影響：當(dāng)信道資源占用率太高時，就會引起數(shù)據(jù)的沖突；當(dāng)信道出現(xiàn)競爭時，此時的網(wǎng)絡(luò)傳輸將會出現(xiàn)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(xiàn)信道傳輸?shù)膯我恍浴?/p>

3 IEEE 802.11 MAC協(xié)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(shù)據(jù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化升級，使無線局域網(wǎng)的傳輸協(xié)議運行機制不斷地完善。

3.1 改進指數(shù)退避（Exponential Backoff）機制

為了避免其數(shù)據(jù)發(fā)送時產(chǎn)生沖突，在IEEE 802.11 DCF中，主要通過在一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀來檢測信道所處的狀態(tài)：當(dāng)檢測結(jié)果是信道處于忙的狀態(tài)時，這個節(jié)點將繼續(xù)偵聽有關(guān)信道的信息，直到偵聽到信道處于空閑的狀態(tài)信息為止；當(dāng)?shù)玫叫诺捞幱诳臻e的狀態(tài)消息時，而且這個信息能夠持續(xù)一個DIFS時間段后，開始執(zhí)行退避過程，此時對退避過程中所產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)將會保存在一個計數(shù)器中。在隨后的時間段內(nèi)，數(shù)據(jù)幀就要不間斷的偵聽信道狀態(tài)：當(dāng)?shù)弥诺罏榭臻e的狀態(tài)時就自動實現(xiàn)對計數(shù)器減1，如果不能實現(xiàn)該操作那么計數(shù)器將處于休眠狀態(tài)；當(dāng)?shù)老乱粋€信道處于空閑的狀態(tài)時，并且還能夠持續(xù)DIFS時間段后激活計數(shù)器。當(dāng)退避時間計數(shù)器計所顯示的數(shù)值再次為0時，這個節(jié)點才會執(zhí)行數(shù)據(jù)幀的發(fā)送命令。

節(jié)點的作用就是維護的競爭窗口參數(shù)CW，起到一個確定的作用，它的工作區(qū)間是處于由物理層特征決定的CWmin和CWmax之間。在標(biāo)準(zhǔn)的DCF中，CW的最小值為CWmin。如果一個節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗了，此時就需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)才能占有數(shù)據(jù)發(fā)送成功的機率。此時該節(jié)點的CW就會增加直到增加到CWmax。當(dāng)數(shù)據(jù)幀需要連續(xù)不間斷重傳時，CW的值將會保持在CWmax狀態(tài)，直到該節(jié)點發(fā)送成功，CW將被重新置為CWmin。

為了更加高效的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，提高無線網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的改進，方法有：（1）修改競爭窗口CW大小，優(yōu)化信道的利用效率；（2）修改競爭窗口CW的重置機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更高效、更穩(wěn)定傳輸。實際上，數(shù)據(jù)的發(fā)送并不能保證一次性發(fā)送成功。如果數(shù)據(jù)能一次性發(fā)送成功，那么也不是數(shù)據(jù)的阻塞就不會產(chǎn)生，只是會降低阻塞的概率。如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)的阻塞將會是一個很麻煩的問題，所以當(dāng)數(shù)據(jù)阻塞出現(xiàn)時，對于阻塞現(xiàn)象的消除是很重要的，但在DCF中不可能實現(xiàn)瞬間解決。如果數(shù)據(jù)發(fā)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(shù)據(jù)傳輸途中的沖突，從而引起網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)象，CW的慢遞減機制主要是在數(shù)據(jù)發(fā)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(shè)定不同的增長機制，為不同的優(yōu)先等級的CW服務(wù)。

3.2 動態(tài)調(diào)整初始競爭窗口大小

IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)競爭窗口大小取決于物理層的特性。在DCF協(xié)議中，初始競爭窗口是固定值，不會受外在因素的影響發(fā)生變化，這樣就容易產(chǎn)生的問題是：如果在網(wǎng)絡(luò)中參與競爭信道的節(jié)點數(shù)比較多時，就會導(dǎo)致出現(xiàn)沖突的概率增加，這樣就會使網(wǎng)絡(luò)傳輸不穩(wěn)定，傳輸效率下降，降低網(wǎng)絡(luò)性能。

從根源著手，根據(jù)信道競爭節(jié)點數(shù)的數(shù)量來調(diào)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(xiàn)在對于網(wǎng)絡(luò)中的活動節(jié)點數(shù)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(yīng)出實際存在的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)，這直接就會導(dǎo)致對競爭窗口的大小計算也不會有一個準(zhǔn)確的數(shù)值。除此之外，在眾多的研究中都是片面的對吞吐率的優(yōu)化進行的研究，而忽視了在延遲性能方面的研究，網(wǎng)絡(luò)延遲在現(xiàn)在這個高速發(fā)展的社會將是網(wǎng)絡(luò)效率低下的問題關(guān)鍵，所以片面的研究存在一定的局限性。

4 結(jié)束語

無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的協(xié)作分集在發(fā)送端主要的工作就是發(fā)送多個信號副本，接收端主要就是對發(fā)送端所傳來的數(shù)據(jù)包實現(xiàn)接收并進行合并，從而降低信號在傳輸途中的衰落現(xiàn)象。根據(jù)原有的特點在不斷改進創(chuàng)新的從而實現(xiàn)傳輸信號的穩(wěn)定性和傳輸可靠性能的提升。

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（責(zé)任編輯：徐興華）