基于IEEE802.11站点的MAC层协议改进机制研究

刘海蓉

摘 要： 以802.11MAC为研究对象，分析了基于802.11MAC的DCF协议基本原理，基于DCF协议的CSMA/CA算法的性能描述。提出CSMA/CA算法是采用二进制指数退避机制，利用最小退避窗口来进行传输、退避、重传来达到减小发生碰撞次数和减少传输时间，从而实现数据信息传输误差的最小化。

关键词： IEEE802.11； MAC； DCF； 协作分集

中图分类号： TP 319 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2015）04-0069-03

0 引 言

CSMA/CA算法是采用二进制指数退避机制，利用最小退避窗口来进行传输、退避、重传来达到减小发生碰撞次数和减少传输时间，从而实现数据信息传输误差的最小化。

针对DCF的CSMA/CA的算法，MAC层存在的网络资源浪费的现象，本文提出了协作分集技术，它可以提高传输的质量和减小传输的时间。本文主要研究了协作分集中的AF算法以及最大合并比算法在MAC上，利用由于无线信号的广播特性，无线传输用于特殊目的端可以听到其他邻近站点，要求这些邻近站点转发听到的信息到最终目的站点，其中核心是高数据速率站点协助低数据速率站点，在这样的传输中转发它们的流量。在提出的协议中，使用监听传输，每个低速率节点维护成一个表（CoopTable），每个表里有潜在的协作站点来协助它们完成传输。在传输过程中，任何一个低数据速率传送节点要么选择直接传输或通过一个辅助节点传送，以减少总的传输时间。

1 集中协调功能（PCF）

IEEE802.11集中协调功能（PCF）控制权属于集中式协调器（Point Coordinator，PC），在一般的情况下这个协调器就是AP本身，因此AP很多时候又被称为PCPCF，这个协调器具有统领机制，要求所有的STA都工作于基础网络结构中更便利于控制，PC控制所有的STA的数据帧发送，以避免在有限的时间内进行竞争。无论是在后续还是在目前的MSDU或MMPDU分段中，最多的分段字段为1，其他时间置为0。无论是在哪一帧中只要执行为前面的数据帧再次发送数据就执行置1操作，同时在其他的帧中被置为0，以确保数据传输的稳定正确安全可靠。

PC总是会在每个无竞争期的开始都会对信道进行检测，判断信道所处的状态，便于以后数据传输的实现。如果在检测中发现信道处于空闲状态时， PC就执行发送命令发送含CF参数集的信标帧STA。当信道接收到数据帧后，此时该信标的作用就是通过CF参数中的CFPMaxDuration值来实现它们NAV值更新，从而实现信息的更新。

图1反映了典型的CFP的帧传输过程。图1中，Ux表示的是被轮询站点发送的数据，Dx表示的是PC发送给可轮询站点的数据。它们之间存在如图1所示的关系，当每一个CFP开始时，PC通过侦听信道的状态来发送数据帧，数据帧发送成功后，PC通过其控制权使得各STA通过信标数据帧中的CF参数中的CFPPeriod来更新本地的NAV[5]。等到站点1收到数据帧后，CF-ACK是对收到PC发送的数据帧的应答，起到一个回访的作用，证明数据的接受。第二个阶段就是PC对站点2的轮询，通过发送Data+CF-ACK+CF-Poll帧， Data是发送给站点2的数据帧，CF-ACK主要的功能是对接收到站点1数据帧的应答，确定站点1数据的传输的情况。当PC轮询到站点3时，假设PC对站点3的轮询信息接受应答不成功，那么此时的数据帧的交换也就无法进行，等到轮询结束后PC发送CF-End帧，通知各STA将NAV复位，进入竞争期。

2 IEEE 802.11 MAC协议性能分析

无线网络和有线网络存在较大的差别，无线传输和有线传输无论是在传输介质上还是在传输方式上都有不可等同的异议。其中在其传输层的概念上，最大的区别就是物理层的传输介质和 MAC 层的介质访问协议不同。无线网络是通过无线信号实现信号的传输，达到数据传输的目的。因为无线信号是通过无线传播，在传播的过程中就会很容易的受到外界环境影响，出现信号的耗损使无线信号出现衰落现象。所以无线网络的缺点是无线信号传播范围有限、信号不稳定、传播速度受多方面因素影响等。正因为这样，如何建立有效的介质访问协议，对于实现无线网络更高质量的传输尤为重要。

对于无线网络的介质共享协议性能方面的研究主要是关于ALOHA的性能研究。

对于IEEE 802.11 DCF的性能分析有以下几点。

2.1 Bianchi 模型的分析

在无线局域网性能的分析中通过软件建模显得尤为重要。根据 DCF 的指数退避机制，Bianchi提出，假设在理想的状态下，节点的信息固定不变，信道也处于理想的状态下，就可以得出一个节点在一个随机时刻所能发送数据帧的概率，由此可以推导出在饱和状态下吞吐率的计算公式[6]，从而为DCF提供了较准确的分析，在很多的研究中都有引用过Bianchi在此的研究，多为基于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，没有在性能上突破。

2.2 仿真实验的性能分析

IEEE 802.11 DCF有些分析不单是通过理论可以得出结论的，必须要通过仿真实验才能实现性能的分析和评价，在仿真实验上主要是通过在模拟实际的环境中进行操作，以得到实验数据从而为分析提供有效的实际数据。如：如何控制数据帧的重传次数，以达到数据传输的稳定可靠；在数据传输受控制后会产生的后果；在网络传输中存在的负载，传输数据包的大小对网络传输稳定性能的影响；DCF中节点数目和无线网络稳定性之间的关系等。

至于现有关于IEEE 802.11 DCF性能的研究中，多半都是存在缺陷的，侧重于性能吞吐率的分析而忽视了对延迟性能的研究，在实际的无线网络传输中，延迟性能在无线网络的质量中占有重要的地位。对DCF的延迟性能的分析，一方面是受无线网络发展趋势的影响，另一方面是技术的难度。伴随着无线网络技术的成熟以及无线网络技术在人们生活中的应用，人们对无线网络传出性能的要求越来越高。现代网络中出现的延迟性能的要求最重要的是受无线网络MAC层和物理层的特点影响：当信道资源占用率太高时，就会引起数据的冲突；当信道出现竞争时，此时的网络传输将会出现较高的延迟。对于这一问题的解决从根源下手主要就是提高信道的利用效率，实现信道传输的单一性。

3 IEEE 802.11 MAC协议性能改进

通过对IEEE 802.11 DCF的性能分析，从中得到有效的数据来实现系统的优化升级，使无线局域网的传输协议运行机制不断地完善。

3.1 改进指数退避（Exponential Backoff）机制

为了避免其数据发送时产生冲突，在IEEE 802.11 DCF中，主要通过在一个节点发送数据帧来检测信道所处的状态：当检测结果是信道处于忙的状态时，这个节点将继续侦听有关信道的信息，直到侦听到信道处于空闲的状态信息为止；当得到信道处于空闲的状态消息时，而且这个信息能够持续一个DIFS时间段后，开始执行退避过程，此时对退避过程中所产生的信息数据将会保存在一个计数器中。在随后的时间段内，数据帧就要不间断的侦听信道状态：当得知信道为空闲的状态时就自动实现对计数器减1，如果不能实现该操作那么计数器将处于休眠状态；当道下一个信道处于空闲的状态时，并且还能够持续DIFS时间段后激活计数器。当退避时间计数器计所显示的数值再次为0时，这个节点才会执行数据帧的发送命令。

节点的作用就是维护的竞争窗口参数CW，起到一个确定的作用，它的工作区间是处于由物理层特征决定的CWmin和CWmax之间。在标准的DCF中，CW的最小值为CWmin。如果一个节点的数据发送失败了，此时就需要重新发送数据才能占有数据发送成功的机率。此时该节点的CW就会增加直到增加到CWmax。当数据帧需要连续不间断重传时，CW的值将会保持在CWmax状态，直到该节点发送成功，CW将被重新置为CWmin。

为了更加高效的实现数据的传输，提高无线网络的利用效率，使无线信道得到充分的利用，就需要针对原有的DCF机制所存在的问题进行相应的改进，方法有：（1）修改竞争窗口CW大小，优化信道的利用效率；（2）修改竞争窗口CW的重置机制，实现数据的更高效、更稳定传输。实际上，数据的发送并不能保证一次性发送成功。如果数据能一次性发送成功，那么也不是数据的阻塞就不会产生，只是会降低阻塞的概率。如果出现数据的阻塞将会是一个很麻烦的问题，所以当数据阻塞出现时，对于阻塞现象的消除是很重要的，但在DCF中不可能实现瞬间解决。如果数据发送成功就立即将CW重置为CWmin，这样的操作就会更加容易引起数据传输途中的冲突，从而引起网络阻塞，吞吐率不佳，这就需要一种有效的机制来解决这个问题，随后提出了CW的慢递减机制，将有效的解决这一现象，CW的慢递减机制主要是在数据发送成功后，并不是立即重置CW为CWmin，而是在实际的情况下来完成缓慢递减，直到CWmin；并且还可以设定不同的增长机制，为不同的优先等级的CW服务。

3.2 动态调整初始竞争窗口大小

IEEE 802.11无线网络竞争窗口大小取决于物理层的特性。在DCF协议中，初始竞争窗口是固定值，不会受外在因素的影响发生变化，这样就容易产生的问题是：如果在网络中参与竞争信道的节点数比较多时，就会导致出现冲突的概率增加，这样就会使网络传输不稳定，传输效率下降，降低网络性能。

从根源着手，根据信道竞争节点数的数量来调整初始竞争窗口的值，是解决DCF性能问题的一种有效的方式。但是现在对于网络中的活动节点数目多半都是通过一种或是某种估算得到的，这些估算并不能有效反应出实际存在的网络节点数，这直接就会导致对竞争窗口的大小计算也不会有一个准确的数值。除此之外，在众多的研究中都是片面的对吞吐率的优化进行的研究，而忽视了在延迟性能方面的研究，网络延迟在现在这个高速发展的社会将是网络效率低下的问题关键，所以片面的研究存在一定的局限性。

4 结束语

无线网络系统中的协作分集在发送端主要的工作就是发送多个信号副本，接收端主要就是对发送端所传来的数据包实现接收并进行合并，从而降低信号在传输途中的衰落现象。根据原有的特点在不断改进创新的从而实现传输信号的稳定性和传输可靠性能的提升。

参考文献：

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[5] 菀宝玉. 超声波室内定位系统[D]. 长春：长春理工大学，2010：36-39.

[6] 李群芳. 单片机原理、接口及应用——嵌入式系统技术基础[M]. 北京：清华大学出版社，2005：78-79.

（责任编辑：徐兴华）