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(diǎn)之外，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)共享的MAC層協(xié)議是一個(gè)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(shí)延隨著網(wǎng)絡(luò)中的活動節(jié)點(diǎn)(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(shí)，CWmin為31；使用跳頻擴(kuò)頻時(shí)，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(diǎn)數(shù)的多少而變化。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中活動節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)目都是基于某種估計(jì)算法獲得的。這些估計(jì)算法不能精確地反映網(wǎng)絡(luò)中真實(shí)的活動節(jié)點(diǎn)數(shù)，所計(jì)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(shí)，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(shí)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(shí)現(xiàn)有競爭的信道共享。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送幀時(shí)，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(shí)間，為了避免發(fā)送沖突，這時(shí)該節(jié)點(diǎn)在發(fā)送前必須經(jīng)過一個(gè)附加的退避周期，產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的退避時(shí)間(Backoff  Time)，并存入退避計(jì)數(shù)器。如果退避計(jì)數(shù)器中已經(jīng)包含有一個(gè)非0的值，則不再執(zhí)行產(chǎn)生隨機(jī)退避時(shí)間的過程。
    產(chǎn)生退避時(shí)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(gè)整數(shù)值，即CWmin≤CW≤CWmax。aSlotTime 是由物理層特性決定的一個(gè)時(shí)隙的實(shí)際長度值,對于DSSS(直接序列擴(kuò)頻)，一個(gè)時(shí)隙的長度是 20 μs。每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)間計(jì)數(shù)器減1；如果信道忙，則退避過程將被推遲，退避時(shí)間計(jì)數(shù)器被凍結(jié)。當(dāng)終端檢測到信道的空閑時(shí)間≥DIFS時(shí)，退避過程重新被激活，繼續(xù)遞減。當(dāng)退避計(jì)數(shù)器遞減到0時(shí)，節(jié)點(diǎn)就可以執(zhí)行發(fā)送。圖1顯示了退避過程。

    節(jié)點(diǎn)A發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)B、C、D都有幀要發(fā)送，等待信道連續(xù)空閑DIFS時(shí)間后，進(jìn)入退避階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在CW內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)退避時(shí)間。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)C所產(chǎn)生的退避時(shí)間最短，它的退避計(jì)時(shí)器最先減至0，開始發(fā)送幀，節(jié)點(diǎn)B和D的退避計(jì)時(shí)器被凍結(jié)。在節(jié)點(diǎn)C傳送過程中，節(jié)點(diǎn)E也有幀要發(fā)送，進(jìn)入等待過程。信道空閑DIFS后，節(jié)點(diǎn)B和D的退避計(jì)時(shí)器解凍，節(jié)點(diǎn)E產(chǎn)生隨機(jī)退避時(shí)間。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)D的退避計(jì)時(shí)器最先減至0，所以節(jié)點(diǎn)D獲得發(fā)送機(jī)會。
    由圖1可以看出，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都要維護(hù)一個(gè)CW參數(shù)，CW的初始值為CWmin。在幀的第一次傳輸時(shí)，CW等于最小競爭窗口CWmin。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送失敗時(shí)，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(diǎn)的CW就會增加一倍。以后，該節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送失敗而重傳時(shí)，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(shí)，即2m(CWmin+1)=(CWmax+1)，再重傳時(shí)CW的值將保持CWmax不變，直到該節(jié)點(diǎn)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。

    競爭窗口越大，隨機(jī)退避機(jī)制解決沖突的能力就越強(qiáng)，因?yàn)槭褂幂^大的競爭窗口時(shí)，選擇相同的隨機(jī)退避時(shí)間的可能性很小。這樣一方面，在輕載的情況下，小的競爭窗口保證了較短的延遲；另一方面，在重載的情況下，隨機(jī)等待時(shí)間隨著沖突產(chǎn)生次數(shù)的增加呈指數(shù)遞增，降低了沖突的概率。競爭窗口達(dá)到CWmax后不再增長，保證了網(wǎng)絡(luò)在重載情況下的穩(wěn)定。當(dāng)幀成功發(fā)送或者重傳次數(shù)超過限制而被丟掉時(shí)，競爭窗口被置為CWmin。這種機(jī)制稱為二進(jìn)制指數(shù)退避（Binary Exponential Backoff）。
2 改進(jìn)的方法
    通過以上分析，可以看出競爭窗口的大小決定了退避的時(shí)間，進(jìn)而影響了吞吐量和接入時(shí)延。本文的優(yōu)化算法通過合理設(shè)置窗口的大小，針對發(fā)生沖突時(shí)退避時(shí)間迅速增加的弊端，并綜合考慮到公平性的問題，從以下四個(gè)方面對現(xiàn)有算法進(jìn)行優(yōu)化。
    (1)增加最小的競爭窗口。參考文獻(xiàn)[9]中指出對不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，存在一個(gè)最優(yōu)的競爭窗口使網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延最小，網(wǎng)絡(luò)中有10個(gè)競爭節(jié)點(diǎn)時(shí)，將初始競爭窗口設(shè)為63，介質(zhì)訪問的時(shí)延最??；而50個(gè)競爭節(jié)點(diǎn)時(shí)，初始窗口設(shè)為127，介質(zhì)訪問的時(shí)延最小。但參考文獻(xiàn)[9]中沒有綜合考慮到窗口對吞吐量的影響,本文通過仿真發(fā)現(xiàn)，在站點(diǎn)數(shù)多或少的情況下，將初始窗口設(shè)為127時(shí)，應(yīng)用本算法，在吞吐量和時(shí)延上都有良好的改善。
    (2)增加最大的競爭窗口。通過前面的分析可知，如果競爭窗口較小，則發(fā)生沖突的概率將增加，優(yōu)化算法增加了最大窗口，將其設(shè)為1 054。
    (3)優(yōu)化退避算法。原有的二進(jìn)制退避算法，退避的時(shí)隙增加過快，呈指數(shù)增長，但遞減較慢，即當(dāng)檢測到信道空閑時(shí)間≥DIFS時(shí)，退避計(jì)數(shù)器做減1操作，這樣將導(dǎo)致再次接入的時(shí)延增加，優(yōu)化算法采用較溫和的方法：當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，max_backoff = max_backoff * 1.5+1，這樣做的目的是當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，使退避時(shí)間量的增加較為緩慢。
    (4)當(dāng)重傳后競爭窗口超過最大競爭窗口時(shí)，將站點(diǎn)的競爭窗口恢復(fù)為最大窗口的一半，即512。這樣當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)遭遇連續(xù)多次沖突后，增加其競爭信道的概率，提高系統(tǒng)的公平性。參考文獻(xiàn)[7]中超過最大競爭窗口后，直接將站點(diǎn)的競爭窗口恢復(fù)為最小窗口，這樣雖然在一定程度上提高了公平性，但同時(shí)也加劇了沖突。
    上述改進(jìn)的算法中，(1)、(2)保證了競爭窗口有一個(gè)較大的范圍，降低了可能發(fā)生的沖突，(3)保證了退避時(shí)間增加較為緩慢，減小了再次接入的時(shí)延，(4)解決了一個(gè)站點(diǎn)遭遇連續(xù)多次沖突后再次接入信道的能力，提高了公平性。
3 性能仿真及對比
    本文使用OPNET軟件虛擬建立一個(gè)基本的Adhoc網(wǎng)絡(luò)模型[10]，每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)的通信范圍設(shè)為100 m，采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為所有無線節(jié)點(diǎn)都分布在邊長為100 m×100 m的四方區(qū)域內(nèi)，即任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都處在其余所有節(jié)點(diǎn)的通信范圍之內(nèi)，也就是說，網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間能直接進(jìn)行通信。這樣網(wǎng)絡(luò)中不存在隱藏節(jié)點(diǎn)。本文仿真了20個(gè)站點(diǎn)和80個(gè)站點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)的吞吐量和時(shí)延。圖3是包括20個(gè)無線節(jié)點(diǎn)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其中，node_0~node_19是無線節(jié)點(diǎn)。
    在仿真實(shí)驗(yàn)中，采用DSSS的參數(shù)（默認(rèn)），見表1。

    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)來確定，在OFF期間不發(fā)送數(shù)據(jù)包。按照表2設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)參數(shù)。

    仿真結(jié)果如圖4~圖7所示。

    從圖4~圖7的仿真曲線圖可以看出，改進(jìn)后的算法在20個(gè)站點(diǎn)及80個(gè)站點(diǎn)時(shí)在時(shí)延和吞吐量方面都有良好的改善，驗(yàn)證了其性能。
    本文詳細(xì)地分析了DCF方式的工作機(jī)制和競爭窗口對接入時(shí)延及吞吐量的影響，針對現(xiàn)有算法的不足提出了一種優(yōu)化競爭窗口的算法，仿真了20個(gè)站點(diǎn)及80個(gè)站點(diǎn)工作時(shí)的吞吐量及接入時(shí)延，相比現(xiàn)有算法和參考文獻(xiàn)[7]中的算法，改進(jìn)的算法提高了吞吐量，降低了接入時(shí)延。
參考文獻(xiàn)
[1] 金純,陳林星,楊吉云.IEEE802.11無線局域網(wǎng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.
[2] BIANCHI G. Performance analysis of IEEE802.11 Distributed coordination function[J].IEEE journal on selected  Areas in Communtion,2000,18(3):535-547.
[3] 劉乃安.無線局域網(wǎng)(WLAN)—原理、技術(shù)與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.
[4] 王輝,李津生,洪佩林.一種IEEE802.11中慢啟動遞減競爭窗口控制算法[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào),2005,10(2):93-97.
[5] 徐志江,李式巨,官軍.IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)中增強(qiáng)的退避算法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2004,26(10).
[6] CALI F, CONTI M, GREGORI E. Dynamic tuning of the IEEE802.11 protocol to achieve a theoretical throughput limit[J]. IEEE Transactions on Networking.2000,8(6):785-799.
[7] 裴冬冬,王興華,向新.IEEE802.11DCF退避機(jī)制公平性分析與改善[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2010,36(10)：92-94.
[8] 王文博,張金文.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京:人民郵電出版社,2003.
[9] 周海興.競爭窗口大小對IEEE802.11無線網(wǎng)絡(luò)的影響[J].廣東通信技術(shù),2008(10).
[10] 陳敏,韋崗.IEEE802.11無線局域網(wǎng)OPNET建模與性能測試[J].計(jì)算機(jī)工程,2004,30(21):14-16,139.