无线局域网退避算法的研究与改进

陆彩霞

（淮安信息职业技术学院,223003）

无线局域网退避算法的研究与改进

陆彩霞

（淮安信息职业技术学院,223003）

针对无线网络在传输速率、覆盖范围及稳定性等方面的缺陷，本文从IEEE 802.11MAC协议的 CSMA/CA 机制出发，总结了传统退避算法的优缺点，引入了一种新的退避算法，计算机仿真实验表明，新算法能显著提高网络的吞吐量，优化无线网络运行性能。

无线局域网；退避算法；网络吞吐量；仿真

0 引言

随着无线局域网络的日益普及，如何提升其网路覆盖率、稳定性及传输速率成为了人们关注的焦点，而在无线局域网运行过程中，IEEE 802.11MAC协议是影响无线网路性能和功能的关键，基于此本文从IEEE 802.11MAC协议的CSMA/CA 机制出发，引入了退避算法思想，分析了传统退避算法的优缺点，并提出一种新的退避算法，有效区分网络环境状态，提升了网络适用范围和灵活性，优化了网络性能。

图1 CSMA/CA机制的避让工作流程

1 无线网路CSMA/CA机制的退避原理

无线局域网技术的应用以IEEE802.11 标准为相关协议，采用DCF机制，该机制的工作原理是基于CSMA/CA（载波侦听多址访问与冲突避免），借助二进制指数退避算法来实现无线网络中多节点信道数据传输的冲突问题，其工作流程如图1.

2 无线局域网中传统退避算法分析

2.1 BEB算法

BEB算法，也即上述CSMA/CA机制所采用的二进制指数退避算法，指在遇到重复冲突时，节点会通过对竞争值CW的2倍操作来进行再次传输，有利于负荷的平滑，但无法避免冲突。BEB算法的流程是：（1）进行避让时间的确定，多为2t,（2）界定重复传输次数K，K=min(K≤10 )(3)从离散型整数集合[0，1，2，″″，(2^k－1)]中，随机抽取一个数做R,重传的避让时间为：T=R×2τ，（4）重传次数限定在16次，否则就丢弃该帧，将传输失败报告给高层协议。

BEB算法存在不足，对网络环境负载欠缺考虑，且数据传输处理方式上因对竞争窗口值的充值，产生CWmin最小值，并借此优势持续占用信道，造成信道吞吐量降低和分配不均衡的现象。

2.2 MILD算法

MILD算法，指当节点发生传输冲突时，对竞争窗口值CW乘以相关系数操作，与BEB的差异在于不会将竞争窗口值直接重置为CWmin,而以线性递减的方式实现对竞争窗口值相关系数的减除，从而减缓其下降速度，也使得该算法在网路高负载的状态下具有更好的优势性。

MILD算法的优缺点都集中在网络负载重的情况下，竞争窗口值下降速率的减缓，但是若出现较少节点时，则灵活性不佳，存在分配不公平现象。

3 无线局域网退避算法的改进

根据上述算法的分析，改进的算法应该体现节点间的公平性，关键在于竞争窗口值的合理设定，由此，本文中新的退避算法，首先对竞争窗口值预先设定一个范围[CWmin,CWmax]，且在该取值范围内选取一个限制CWnet，以此作为网络竞争激烈与否的判别门限值，当竞争窗口值高于CWnet时，则竞争较为激烈，相反则较为平缓，并据此采用不同避让算法，实现网络冲突平衡能力和吞吐量的优化。

新的退避算法改进如下分析：

首先，对竞争窗口值设定一个范围[CWmin,CWmax]，且在该取值范围内选取一个限制CWnet，当CW≤CWnet，竞争激烈，此时，数据传输发生冲突采用BEB退避算法以竞争窗口值的2倍作为新的竞争窗口值，就能够表现出良好的实用性。且即使在竞争相对较平缓时，直接将竞争窗口值置为CWmin也是没有必要的，由此将其置为原竞争窗口值CW的1/2即可，既有效控制了竞争窗口值的下降速度，也避免影响网络吞吐量。

图2 新的退避算法流程

其次，当CW ＞ CWnet 时，竞争较为激烈，也即网络环境中的节点数较多，属于高负载网络，此种状态下，若数据发送失败，则对竞争窗口值 CW 进行乘以 2 的操作；而在发送成功时，则对竞争窗口值进行乘以 0.8 的操作，以此降低竞争窗口值下降速率，降低冲突发生率。

再次，确定不同网络环境的退避方法之后，要设定CWnet值，结合新算法，可得出大致的区分网络环境状态的值，以此来划分网络状态。一般在无线网络中，多节点在进行数据传输时，可计算各节点的竞争窗口值，也即E[CW],当退避时间达到此值时，则网络性能最优。

若网络环境中，数据帧长度的分布概率为P，各节点特定，P值与时隙长度成倍数关系，由此，数帧长度i的概率为：

公式（3） 中的参数E[B]为节点数据传送时发生冲突从而产生退避，该时间即为平均值，即为（4）同时，以此无冲突成功传输数据帧的时间：

由此可得无线网络吞吐量为：

新退避算法的流程如图2.

4 基于OPNET软件的仿真与分析

为了有效验证改进的退避算法的优势性，本文以OPNET软件来进行仿真实验，采用两种网络模型，一种为5个节点，一种为10个节点，对比分析了改进算法和BEB在这两种网络模型中的吞吐量仿真结果，如图3。图中曲线new1 和new2分别表示采用新算法时5 个节点和10个节点下的吞吐量曲线； BEB1 和BEB2分别表示采用 BEB 算法时5个和10个节点下的吞吐量曲线。

图3 改进算法吞吐量仿真图

由图可知，采用改进后的退避算法所得到的吞吐量要比BEB退避算法的吞吐量曲线高，因此，改进后的退避算法相比于BEB算法，对于网络负荷程度逐渐加大的情况下，有着更好的缓解压力作用。

5 结语

无线局域网中IEEE 802.11MAC 协议中，多节点之间的信道是通用的，发生冲突的概率极高需要有效避让，而避让时间是随机的从竞争窗口中均匀选出，该窗口的大小是依据不同的退避算法计算得出的，但经实践证明，传统算法在重负载网络环境下，无法保障公平性及较高的吞吐量，由此，本文改进了传统算法，有效区分网络环境状态，提升了网络适用范围和灵活性。

[1]娄晓倩. 无线局域网MAC层协议技术及退避算法的研究[D].东北大学,2012.

[2]韩笑. 无线局域网退避算法的研究与改进[D].西安电子科技大学,2014.

[3]吕超,陈向东. 无线网络预约退避算法的实现和分析[J]. 通信技术,2011,08:48-50.

Wireless LAN backoff algorithm and Its Improvement Research

Lu Caixia
(Huaian College of Information Technology，223003)

Due to defects of the wireless'shortages on transmission rate,coverage and stability，this paper starts from the CSMA / CA mechanism of IEEE 802.11MAC protocol,and summarizes the advantages and disadvantages of various typical back-off algorithms.Then it introduces a new back-off algorithm.Computer simulation experiments show that the proposed algorithm can improve the network throughput and optimize the performance of the wireless network .

WLAN;Back-off Algorithm;Network throughput;Simulation

TN98

A

陆彩霞（1979-），女，硕士研究生，讲师、工程师，现任淮安信息职业技术学院计算机与通信工程学院教师，主要研究方向计算机网络技术与Linux。