摘 要： 針對現(xiàn)有IEEE802.11 分布式協(xié)調(diào)功能DCF(Distribute Coordination Function)方式下吞吐量較小、時延較大的缺點，提出了一種優(yōu)化競爭窗口的算法。該算法通過增加最小競爭窗口和最大競爭窗口，改進(jìn)其退避算法，并綜合考慮到了公平性的問題。經(jīng)OPNET仿真驗證表明，該算法提高了系統(tǒng)的吞吐量，減小了接入時延。
關(guān)鍵詞： IEEE802.11分布式協(xié)調(diào)功能； 競爭窗口； 二進(jìn)制退避算法

近幾年，IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)得到迅速的發(fā)展[1]，對無線網(wǎng)絡(luò)的性能和服務(wù)質(zhì)量提出了更高的要求。同有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線網(wǎng)絡(luò)在性能和服務(wù)質(zhì)量方面還有很大差距，這除了其物理傳輸介質(zhì)的固有特點之外，實現(xiàn)介質(zhì)共享的MAC層協(xié)議是一個非常重要的因素。無線局域網(wǎng)（WLAN）IEEE802.11協(xié)議中，MAC層上最基本也是目前使用最廣泛的接入方式是被稱為分布式協(xié)調(diào)功能DCF（Distribute Coordination Function）的隨機(jī)競爭接入方式。
DCF方式下，WLAN的吞吐量和接入時延隨著網(wǎng)絡(luò)中的活動節(jié)點(Active Nodes)數(shù)和初始競爭窗口大小(CWmin)而變化[2]，系統(tǒng)的初始競爭窗口大小由物理層特性決定，例如使用直接序列擴(kuò)頻時，CWmin為31；使用跳頻擴(kuò)頻時，CWmin為15[3]。也就是說，在DCF協(xié)議中，初始競爭窗口是固定的，并不能隨著網(wǎng)絡(luò)中競爭節(jié)點數(shù)的多少而變化。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中活動節(jié)點數(shù)的變化來動態(tài)調(diào)整初始競爭窗口的值,是改進(jìn)DCF性能的一種行之有效的方法[4-6]。但目前獲得網(wǎng)絡(luò)中的活動節(jié)點數(shù)目都是基于某種估計算法獲得的。這些估計算法不能精確地反映網(wǎng)絡(luò)中真實的活動節(jié)點數(shù)，所計算出的優(yōu)化初始競爭窗口大小也不會很精確，如果初始窗口設(shè)置不正確，對網(wǎng)絡(luò)性能的影響將會很大。參考文獻(xiàn)[7]提出了增加初始窗口為63，并在退避到最大窗口時，將最大窗口置為初始窗口來參與競爭，這在一定程度提高了系統(tǒng)的公平性，但此算法也增加了沖突發(fā)生的概率。本文提出的優(yōu)化競爭窗口的算法用OPNET軟件[8]進(jìn)行了仿真，與原有算法及參考文獻(xiàn)[7]中的算法相比，在吞吐量及時延上都有良好的改善。
1 DCF的二進(jìn)制退避機(jī)制和競爭窗口的分析
DCF協(xié)議基于載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）機(jī)制實現(xiàn)有競爭的信道共享。當(dāng)一個節(jié)點需要發(fā)送幀時，要調(diào)用載波偵聽機(jī)制來確定信道的忙/閑狀態(tài)，如果信道忙，它將推遲，直到信道連續(xù)處于空閑狀態(tài)達(dá)到分布協(xié)調(diào)功能的幀間間隔DIFS(Distributed Coordination Function Interframe Space)時間，為了避免發(fā)送沖突，這時該節(jié)點在發(fā)送前必須經(jīng)過一個附加的退避周期，產(chǎn)生一個隨機(jī)的退避時間(Backoff Time)，并存入退避計數(shù)器。如果退避計數(shù)器中已經(jīng)包含有一個非0的值，則不再執(zhí)行產(chǎn)生隨機(jī)退避時間的過程。
產(chǎn)生退避時間的方法如下：Backoff Time=Random( )* aSlotTime其中，Random( )是均勻分布在[0，CW]范圍內(nèi)的隨機(jī)整數(shù)，CW是介于由物理層特征決定的最小競爭窗口CWmin和最大競爭窗口CWmax之間的一個整數(shù)值，即CWmin≤CW≤CWmax。aSlotTime 是由物理層特性決定的一個時隙的實際長度值,對于DSSS(直接序列擴(kuò)頻)，一個時隙的長度是 20 μs。每個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前，監(jiān)聽信道的狀態(tài)，如果信道閑，則將退避時間計數(shù)器減1；如果信道忙，則退避過程將被推遲，退避時間計數(shù)器被凍結(jié)。當(dāng)終端檢測到信道的空閑時間≥DIFS時，退避過程重新被激活，繼續(xù)遞減。當(dāng)退避計數(shù)器遞減到0時，節(jié)點就可以執(zhí)行發(fā)送。圖1顯示了退避過程。

節(jié)點A發(fā)送時，節(jié)點B、C、D都有幀要發(fā)送，等待信道連續(xù)空閑DIFS時間后，進(jìn)入退避階段，每個節(jié)點在CW內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生一個退避時間。因為節(jié)點C所產(chǎn)生的退避時間最短，它的退避計時器最先減至0，開始發(fā)送幀，節(jié)點B和D的退避計時器被凍結(jié)。在節(jié)點C傳送過程中，節(jié)點E也有幀要發(fā)送，進(jìn)入等待過程。信道空閑DIFS后，節(jié)點B和D的退避計時器解凍，節(jié)點E產(chǎn)生隨機(jī)退避時間。因為節(jié)點D的退避計時器最先減至0，所以節(jié)點D獲得發(fā)送機(jī)會。
由圖1可以看出，每一個節(jié)點都要維護(hù)一個CW參數(shù)，CW的初始值為CWmin。在幀的第一次傳輸時，CW等于最小競爭窗口CWmin。當(dāng)一個節(jié)點發(fā)送失敗時，說明當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大或者鏈路狀況不好，該節(jié)點的CW就會增加一倍。以后，該節(jié)點每次發(fā)送失敗而重傳時，CW都會增加一倍，即CW=2m(CWmin+1)-1，其中m為重傳次數(shù)。當(dāng)CW的值增加到CWmax時，即2m(CWmin+1)=(CWmax+1)，再重傳時CW的值將保持CWmax不變，直到該節(jié)點發(fā)送成功，或者達(dá)到了最大重傳次數(shù)限制，CW將被重新置為CWmin， CW的變化方式如圖2所示。