網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最快的通信技術(shù)方向之一[1]，其中，無(wú)線局域網(wǎng)即WLAN是與人們生活最為密切的網(wǎng)絡(luò)類型，為了解決WLAN的信道沖突問(wèn)題，IEEE802.11定義了兩種MAC協(xié)議，即DCF協(xié)議和PCF協(xié)議。DCF允許各站點(diǎn)依托分布式協(xié)調(diào)方式公平地競(jìng)爭(zhēng)信道資源，采用有競(jìng)爭(zhēng)的信道共享方式（CSMA/CA）。而PCF為依托中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)無(wú)線信道分配的一種方式，由接入點(diǎn)AP負(fù)責(zé)信道的分配，所以沒(méi)有沖突的發(fā)生。大多數(shù)情況下，WLAN的默認(rèn)配置采用DCF而不是PCF方式,因?yàn)镈CF基本能滿足數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的需求，而PCF由于采用了輪詢的方式，增加了開(kāi)銷，因此帶寬利用率較DCF低[2]。
    DCF協(xié)議基于載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免（CSMA/CA）機(jī)制實(shí)現(xiàn)有競(jìng)爭(zhēng)的信道共享，在幀傳輸后，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到MAC層的確認(rèn)幀ACK，則認(rèn)為該幀丟失或發(fā)生了沖突，該幀會(huì)按照二進(jìn)制指數(shù)退避算法進(jìn)行退避、重傳，以避免再次發(fā)生沖突。本文使用OPNET軟件對(duì)802.11DCF的基本退避機(jī)制進(jìn)行建模仿真，針對(duì)業(yè)務(wù)量增多時(shí)出現(xiàn)的服務(wù)質(zhì)量下降問(wèn)題，對(duì)DCF的競(jìng)爭(zhēng)窗口值和退避指數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，從而加快分解沖突的速度，提高系統(tǒng)的吞吐量和延遲性能[3]。
1 DCF的二進(jìn)制指數(shù)退避規(guī)則分析
　　802.11的CSMA/CA協(xié)議采用離散時(shí)間(Discrete-time)退避算法，退避的最小時(shí)間間隔為一個(gè)時(shí)隙時(shí)間(Slot Time)Δt。Δt=傳播時(shí)延(propagation delay)+收發(fā)機(jī)收/發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間+PHY層向MAC層指示信道狀態(tài)的的時(shí)間。通常Δt為十至幾十微秒。
    CSMA/CA采用的二進(jìn)制指數(shù)退避算法是指：當(dāng)終端檢測(cè)到信道空閑時(shí)間&ge;DIFS或發(fā)生了碰撞時(shí),會(huì)首先按照均勻分布規(guī)則，從[0，CW-1]中選取一個(gè)值作為退避計(jì)數(shù)器的初始值，此后每當(dāng)站點(diǎn)檢測(cè)到信道空閑時(shí)間&ge;DIFS，則退避計(jì)數(shù)器減1;若站點(diǎn)檢測(cè)到信道忙或空閑時(shí)間<DIFS，則凍結(jié)退避計(jì)數(shù)器，并記錄下當(dāng)前值，直到重新出現(xiàn)DIFS空閑期再恢復(fù)退避計(jì)數(shù)器;當(dāng)退避計(jì)數(shù)器減至零時(shí)，立即發(fā)送數(shù)據(jù)。CW就是退避窗口，取決于碰撞的次數(shù)，在幀的第一次傳輸時(shí)，CW等于最小碰撞窗口CWmin，每次不成功傳輸都會(huì)使得CW增加一倍，即第n次沖突時(shí)，CW(n)=CW(n-1)&times;2，直到增至最大碰撞窗口CWmax。當(dāng)站點(diǎn)進(jìn)行一次成功傳輸后，立即將CW重設(shè)為最小競(jìng)爭(zhēng)窗口。在圖1中，終端B檢測(cè)到信道空閑時(shí)間&ge;DIFS，退避計(jì)數(shù)器選擇退避7個(gè)時(shí)隙并在每個(gè)時(shí)隙的開(kāi)始時(shí)刻減1，在第5個(gè)時(shí)隙開(kāi)始時(shí)刻，退避計(jì)數(shù)器減1。但是由于傳播時(shí)延的問(wèn)題，終端A在終端B的第5個(gè)時(shí)隙的中間時(shí)段開(kāi)始傳輸，導(dǎo)致終端B檢測(cè)到信道忙，凍結(jié)退避計(jì)數(shù)器，直到終端A成功完成此次傳輸后,信道再次空閑一個(gè)DIFS，終端B恢復(fù)退避計(jì)數(shù)器,并從第4個(gè)時(shí)隙開(kāi)始遞減[4]。

　這種退避算法的好處在于：從網(wǎng)絡(luò)角度來(lái)看，在某一空閑時(shí)隙有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送的概率減小了，從而在一定程度上降低了沖突概率，上次競(jìng)爭(zhēng)不到媒體的站將以越來(lái)越短的退避時(shí)間進(jìn)入下次競(jìng)爭(zhēng)，避免出現(xiàn)永遠(yuǎn)競(jìng)爭(zhēng)不到媒體的情況。然而，隨著工作站點(diǎn)數(shù)目的增多，發(fā)生沖突的概率仍將會(huì)增大，由于每次重傳失敗后，站點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口都會(huì)增大一倍，其目的是為了減少再次發(fā)生沖突的概率，但同時(shí)也極大地降低了該站點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)到信道的概率，而對(duì)于成功傳輸?shù)恼军c(diǎn)總有較大的概率再次競(jìng)爭(zhēng)到信道，這種現(xiàn)象對(duì)于連續(xù)遭遇沖突的站點(diǎn)來(lái)講是不公平的，系統(tǒng)的吞吐量和延遲性能都將會(huì)受到影響[5]。
2 改進(jìn)的方法
　在802.11MAC協(xié)議中，影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量和延遲性能的主要因素是分組沖突和每個(gè)競(jìng)爭(zhēng)周期內(nèi)由于退避浪費(fèi)的空閑時(shí)隙。當(dāng)工作站點(diǎn)增多時(shí)，由于很多站點(diǎn)的初始競(jìng)爭(zhēng)窗口很小，因此有很多的發(fā)送嘗試很可能會(huì)發(fā)生沖突，這就緩解了分解沖突的速度[6]。基于以上考慮，改進(jìn)的方法通過(guò)以下兩個(gè)手段來(lái)加快分解沖突的速度，提高競(jìng)爭(zhēng)信道的公平性。
　(1)增加最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值，對(duì)于基本訪問(wèn)機(jī)制，吞吐量隨著退避窗口大小的增加而增加(CWmin&le;64)[4]。當(dāng)CWmin>64時(shí)，吞吐量隨著退避窗口大小的增加而急劇減少。因此，將最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值設(shè)為64。
　(2)當(dāng)重傳后的競(jìng)爭(zhēng)窗口值超過(guò)最大競(jìng)爭(zhēng)窗口值時(shí)，則將站點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口恢復(fù)為最小競(jìng)爭(zhēng)窗口。
　在改進(jìn)的算法中，站點(diǎn)將擁有較大的初始競(jìng)爭(zhēng)窗口，以解決站點(diǎn)數(shù)目增多時(shí)沖突概率增大的問(wèn)題。此外，當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)遭遇連續(xù)多次沖突后，將其競(jìng)爭(zhēng)窗口迅速減小，以增加其成功競(jìng)爭(zhēng)信道的概率，提高系統(tǒng)的公平性。
3 兩種方法的性能仿真及對(duì)比
　使用OPNET軟件對(duì)基本的退避算法和改進(jìn)的退避算法進(jìn)行仿真，仿真步驟如下[7]：
　(1)建立一個(gè)基本的Adhoc網(wǎng)絡(luò)模型，如圖2所示，隨機(jī)分布80個(gè)無(wú)線工作站,所有工作站點(diǎn)工作于DCF方式，范圍設(shè)為office，大小設(shè)為100 m&times;100 m。

   (2)配置業(yè)務(wù)參數(shù)。OPNET提供了ON-OFF的建模機(jī)制，在ON期間生成數(shù)據(jù)包，每個(gè)包的大小和包間隔可以按照某種分布函數(shù)來(lái)確定,在OFF期間不發(fā)送數(shù)據(jù)包。按照表1設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)參數(shù)。

　(3)配置802.11MAC的輸入接口參數(shù)，如表2所示。

   RTS門限決定某個(gè)數(shù)據(jù)幀的傳輸是否要啟動(dòng)RTS/CTS協(xié)議會(huì)話，如果從高層接收到的分組（也稱為MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元MSDU）大于RTS門限，為了增加傳輸效率（對(duì)于大分組額外開(kāi)銷資源預(yù)留帶寬而增加這次發(fā)送成功的概率是值得的），則啟動(dòng)RTS/CTS協(xié)議會(huì)話。由于RTS/CTS協(xié)議會(huì)話是協(xié)議非強(qiáng)制的功能，因此該項(xiàng)默認(rèn)值為None，意味著不管MSDU多大也不啟用該功能。
　拆分門限決定高層數(shù)據(jù)包（MSDU）是否需要拆分，該項(xiàng)默認(rèn)值同樣為None，意味不管MSDU多大也不進(jìn)行拆分。
　(4)收集統(tǒng)計(jì)量,需要收集的統(tǒng)計(jì)量有吞吐量(throughput)和時(shí)延(delay)。
　(5)設(shè)置仿真參數(shù),仿真運(yùn)行時(shí)間為3 min，隨機(jī)數(shù)為128。
　(6)復(fù)制一個(gè)與上述網(wǎng)絡(luò)模型完全一樣的場(chǎng)景。在新的場(chǎng)景里，按照改進(jìn)的退避方法進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，其他設(shè)置保持一樣。分別對(duì)兩個(gè)場(chǎng)景運(yùn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示,其中橫坐標(biāo)均為時(shí)間，單位為min。

　由以上仿真曲線圖可以看出，使用改進(jìn)方法后，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量有了一定提高，延遲性能也得到了改善。
    通過(guò)分析DCF方式下工作站點(diǎn)增多時(shí)出現(xiàn)信道競(jìng)爭(zhēng)不公平性現(xiàn)象的原因，對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口的初始值進(jìn)行了調(diào)整，給各站點(diǎn)以較大的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口值，提高了沖突分解速度。同時(shí)改進(jìn)了站點(diǎn)遭遇連續(xù)沖突時(shí)的處理方法，提高了此類站點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)到信道的概率。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的DCF工作方式下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和延遲性能均得到了改善。
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