802.11為IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會，The Institute of Electrical and ElectrONics Engineers）于1997年公告的無線區(qū)域網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)，適用于有線站臺與無線用戶或無線用戶之間的溝通連結(jié)。IEEE 802.11 MAC的基本存取方式稱為 CSMA/CA （Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance），與以太網(wǎng)絡(luò)所用的CSMA/CD （Collision Detection）變成了碰撞防止（Collision Avoidance），這一字之差是很大的。因為在無線傳輸中感測載波及碰撞偵測都是不可靠的，感測載波有困難。另外通常無線電波經(jīng)天線送出去時，自己是無法監(jiān)視到的，因此碰撞偵測實質(zhì)上也做不到。在802.11中感測載波是由兩種方式來達成，第一是實際去聽是否有電波在傳，及加上優(yōu)先權(quán)的觀念。另一個是虛擬的感測載波，告知大家待會有多久的時間我們要傳東西，以防止碰撞。

DCF協(xié)議基于載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）機制實現(xiàn)有競爭的信道共享，在幀傳輸后，如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到MAC層的確認(rèn)幀ACK,則認(rèn)為該幀丟失或發(fā)生了沖突，該幀會按照二進制指數(shù)退避算法進行退避、重傳，以避免再次發(fā)生沖突。本文使用OPNET軟件對802.11DCF的基本退避機制進行建模仿真，針對業(yè)務(wù)量增多時出現(xiàn)的服務(wù)質(zhì)量下降問題，對DCF的競爭窗口值和退避指數(shù)進行改進，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。

1 DCF的二進制指數(shù)退避規(guī)則分析

802.11的CSMA/CA協(xié)議采用離散時間（Discrete-time）退避算法，退避的最小時間間隔為一個時隙時間（Slot Time）Δt.Δt=傳播時延（propagation delay）+收發(fā)機收/發(fā)轉(zhuǎn)換時間+PHY層向MAC層指示信道狀態(tài)的的時間。通常Δt為十至幾十微秒。

CSMA/CA采用的二進制指數(shù)退避算法是指：當(dāng)終端檢測到信道空閑時間≥DIFS或發(fā)生了碰撞時，會首先按照均勻分布規(guī)則，從[0,CW-1]中選取一個值作為退避計數(shù)器的初始值，此后每當(dāng)站點檢測到信道空閑時間≥DIFS,則退避計數(shù)器減1;若站點檢測到信道忙或空閑時間

這種退避算法的好處在于：從網(wǎng)絡(luò)角度來看，在某一空閑時隙有多個節(jié)點同時發(fā)送的概率減小了，從而在一定程度上降低了沖突概率，上次競爭不到媒體的站將以越來越短的退避時間進入下次競爭，避免出現(xiàn)永遠(yuǎn)競爭不到媒體的情況。然而，隨著工作站點數(shù)目的增多，發(fā)生沖突的概率仍將會增大，由于每次重傳失敗后，站點的競爭窗口都會增大一倍，其目的是為了減少再次發(fā)生沖突的概率，但同時也極大地降低了該站點競爭到信道的概率，而對于成功傳輸?shù)恼军c總有較大的概率再次競爭到信道，這種現(xiàn)象對于連續(xù)遭遇沖突的站點來講是不公平的，系統(tǒng)的吞吐量和延遲性能都將會受到影響[5].

2 改進的方法

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競爭周期內(nèi)由于退避浪費的空閑時隙。當(dāng)工作站點增多時，由于很多站點的初始競爭窗口很小，因此有很多的發(fā)送嘗試很可能會發(fā)生沖突，這就緩解了分解沖突的速度[6].基于以上考慮，改進的方法通過以下兩個手段來加快分解沖突的速度，提高競爭信道的公平性。

（1）增加最小競爭窗口值，對于基本訪問機制，吞吐量隨著退避窗口大小的增加而增加（CWmin≤64）[4].當(dāng)CWmin>64時，吞吐量隨著退避窗口大小的增加而急劇減少。因此，將最小競爭窗口值設(shè)為64.

（2）當(dāng)重傳后的競爭窗口值超過最大競爭窗口值時，則將站點的競爭窗口恢復(fù)為最小競爭窗口。

在改進的算法中，站點將擁有較大的初始競爭窗口，以解決站點數(shù)目增多時沖突概率增大的問題。此外，當(dāng)一個站點遭遇連續(xù)多次沖突后，將其競爭窗口迅速減小，以增加其成功競爭信道的概率，提高系統(tǒng)的公平性。

3 兩種方法的性能仿真及對比

使用OPNET軟件對基本的退避算法和改進的退避算法進行仿真，仿真步驟如下：

（1）建立一個基本的Adhoc網(wǎng)絡(luò)模型，如圖2所示，隨機分布80個無線工作站，所有工作站點工作于DCF方式，范圍設(shè)為office,大小設(shè)為100 m×100 m.

（2）配置業(yè)務(wù)參數(shù)。OPNET提供了ON-OFF的建模機制，在ON期間生成數(shù)據(jù)包，每個包的大小和包間隔可以按照某種分布函數(shù)來確定，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門限決定某個數(shù)據(jù)幀的傳輸是否要啟動RTS/CTS協(xié)議會話，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（對于大分組額外開銷資源預(yù)留帶寬而增加這次發(fā)送成功的概率是值得的），則啟動RTS/CTS協(xié)議會話。由于RTS/CTS協(xié)議會話是協(xié)議非強制的功能，因此該項默認(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，該項默認(rèn)值同樣為None,意味不管MSDU多大也不進行拆分。

（4）收集統(tǒng)計量，需要收集的統(tǒng)計量有吞吐量（throughput）和時延（delay）。

（5）設(shè)置仿真參數(shù)，仿真運行時間為3 min,隨機數(shù)為128.

（6）復(fù)制一個與上述網(wǎng)絡(luò)模型完全一樣的場景。在新的場景里，按照改進的退避方法進行相應(yīng)設(shè)置，其他設(shè)置保持一樣。分別對兩個場景運行仿真，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示，其中橫坐標(biāo)均為時間，單位為min.

由以上仿真曲線圖可以看出，使用改進方法后，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量有了一定提高，延遲性能也得到了改善。

通過分析DCF方式下工作站點增多時出現(xiàn)信道競爭不公平性現(xiàn)象的原因，對競爭窗口的初始值進行了調(diào)整，給各站點以較大的最小競爭窗口值，提高了沖突分解速度。同時改進了站點遭遇連續(xù)沖突時的處理方法，提高了此類站點競爭到信道的概率。最終的實驗結(jié)果表明，改進后的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。