1 802.11 DCF工作機(jī)制
　　近年來，隨著無線通信技術(shù)和個(gè)人移動(dòng)通信需求的不斷增長，無線局域網(wǎng)WLAN(Wireless Local Area Network)作為現(xiàn)有移動(dòng)通信技術(shù)的重要補(bǔ)充，受到業(yè)界越來越多的重視。美國電子電機(jī)工程師學(xué)會(huì)IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)的802.11工作組主要致力于無線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化問題。目前已經(jīng)提出了無線局域網(wǎng)的媒體訪問控制層MAC(Media Access Control)和物理層PHY(Physical)規(guī)范。無線信道的廣播特性，使無線局域網(wǎng)的媒體訪問控制標(biāo)準(zhǔn)與有線網(wǎng)有很大區(qū)別。IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)包括分布式協(xié)調(diào)功能DCF(Distributed Coordination Function)和點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF(Point Coordination Function)^[1]。
　　在802.11中，DCF是基本的接入方式" title="接入方式">接入方式，它盡力而為地提供數(shù)據(jù)的異步傳送。DCF采用載波偵聽多路接入帶沖突避免的二進(jìn)制指數(shù)隨機(jī)回退算法CSMA/CA(Carry Sensing Multiple Access/Collision Avoidance)。與固定網(wǎng)不同，無線節(jié)點(diǎn)在傳送數(shù)據(jù)時(shí)，由于不能同時(shí)對信道進(jìn)行偵聽，因此不再使用帶沖突檢測CSMA/CD(Collision Detection)的方式訪問信道。作為DCF的補(bǔ)充，PCF則主要用于提供無沖突的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，但由于PCF需要網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)中心接入點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)不再具有分布式的結(jié)構(gòu)。因此本文主要研究具有分布式特點(diǎn)的DCF的性能。
　　在DCF中存在兩種接入技術(shù)。缺省采用基本接入方式，其幀時(shí)序圖如圖1所示。源節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組后，只有當(dāng)源節(jié)點(diǎn)正確收到目的節(jié)點(diǎn)返回的確認(rèn)消息ACK時(shí)才標(biāo)志發(fā)送成功。為了減少無線網(wǎng)絡(luò)中的隱藏終端問題，DCF還提供了一種基于RTS/CTS(Request To Send/Clear To Send)握手的接入方式，其幀時(shí)序圖如圖2所示。在數(shù)據(jù)分組發(fā)送之前，采用RTS/CTS握手獲得信道使用權(quán)，目的節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后發(fā)送ACK釋放對信道的占用。由于RTS/CTS消息很短，減少了沖突概率，因此RTS/CTS方式在數(shù)據(jù)分組較長的情況下可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的性能。一個(gè)終端可以工作在“混合”模式下，當(dāng)數(shù)據(jù)包長度大于RTS門限時(shí),采用RTS/CTS方式傳送,反之則采用基本方式傳送。

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　　已有的文獻(xiàn)大都從飽和吞吐率" title="吞吐率">吞吐率的角度出發(fā)，對802.11DCF的性能進(jìn)行分析和提高，文獻(xiàn)^[4]和^[5]假設(shè)碰撞概率恒定獨(dú)立，用解析的方法對802.11 DCF的性能作了定量分析。文獻(xiàn)^[5]分析了基本方式下的網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐率以及它與相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的關(guān)系。而文獻(xiàn)^[4]則對DCF的基本方式和RTS/CTS方式分別作了分析，得到了兩種方式下的飽和吞吐率表達(dá)式，其中給出了一種計(jì)算混合方式網(wǎng)絡(luò)吞吐率的方法。然而無線局域網(wǎng)大部分時(shí)間工作在非飽和(輕負(fù)載)情況下，因此有必要研究在非飽和以及飽和情況下通用的性能改進(jìn)算法。
基于分組單次成功發(fā)送持續(xù)的時(shí)間、單次碰撞持續(xù)的時(shí)間和當(dāng)前信道的分組成功傳送概率，本文給出了混合方式下最優(yōu)RTS門限的計(jì)算方法?；谧顑?yōu)RTS門限的計(jì)算方法提出了一個(gè)自適應(yīng)RTS門限調(diào)整算法,以便終端能夠根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境計(jì)算當(dāng)前信道的分組成功傳送概率，從而計(jì)算出當(dāng)前分組傳送所需的RTS門限，以減小分組傳送的時(shí)間開銷和提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信道利用率。
2 自適應(yīng)RTS門限調(diào)整算法
　　現(xiàn)有DCF中，無線終端可以選擇RTS/CTS或基本方式進(jìn)行分組傳送。RTS門限設(shè)定后，當(dāng)數(shù)據(jù)分組長度小于RTS門限時(shí)，采用基本方式傳送；當(dāng)分組長度大于RTS門限時(shí)，采用RTS方式傳送，這種方式被稱為混合工作方式。由于基本方式和RTS方式的傳送機(jī)制有所不同，因此兩者所需花費(fèi)的時(shí)間開銷也有差別。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中分組傳送的成功率很高(沖突很低)時(shí)，即使數(shù)據(jù)分組很長，采用RTS方式所需的時(shí)間代價(jià)也會(huì)高于基本方式(因?yàn)閭魉蚏TS/CTS幀會(huì)增加時(shí)間開銷)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)分組成功傳送率很低(沖突嚴(yán)重)時(shí)，即使較短的分組(分組長度大于RTS/CTS幀，小于設(shè)定的RTS門限)，采用RTS方式也會(huì)減小分組傳送的時(shí)間開銷。因此RTS門限值的設(shè)定與當(dāng)前信道的分組成功傳送率(或失敗概率)有關(guān)。在任意確定的分組成功傳輸概率下，對于單純的基本接入方式或RTS/CTS接入方式，傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)分組所需要的時(shí)間開銷均是關(guān)于數(shù)據(jù)分組長度L的單調(diào)遞增函數(shù)，而且兩個(gè)函數(shù)存在一個(gè)交點(diǎn)。這就意味著，對于任意信道競爭強(qiáng)度，存在一個(gè)最優(yōu)的RTS 門限，基于該門限選擇采用基本方式或RTS/CTS方式傳送，可以使得傳送一個(gè)數(shù)據(jù)分組所需時(shí)間代價(jià)最小。現(xiàn)有DCF存在的問題是：RTS門限被設(shè)置為常量而不能根據(jù)當(dāng)前信道競爭強(qiáng)度的變化做相應(yīng)調(diào)整，這種固定設(shè)置將會(huì)增加分組傳送的時(shí)間開銷。
2.1 分組發(fā)送成功和失敗的時(shí)間開銷
　　無線節(jié)點(diǎn)的能量主要消耗在分組的發(fā)送和接收階段，尤其是在分組的發(fā)送階段，而在緩存和退避階段消耗的能量很小。設(shè)單位時(shí)間內(nèi)分組傳送和接收消耗的能量為一常量，則分組傳送所消耗的能量與收發(fā)器的工作時(shí)間成正比，因此分組傳送的時(shí)間開銷(不包括分組的緩存時(shí)間和分組在DCF退避階段所等待的時(shí)間)是被關(guān)注的重要參數(shù)。設(shè)R是信道的數(shù)據(jù)速率，δ是傳播時(shí)延，數(shù)據(jù)包載荷長度為L(字節(jié))，PHY為IEEE 802.11 DCF中的PLCP頭，共192位，當(dāng)傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率為1Mbps時(shí)，其對應(yīng)的時(shí)間為192μs。根據(jù)IEEE 802.11 DCF中的定義，單個(gè)分組傳送成功或失敗的時(shí)間開銷T可以表示如下(上標(biāo)rts表示RTS/CTS方式，上標(biāo)bas表示基本方式，下標(biāo)suc表示成功發(fā)送，下標(biāo)con表示失敗的發(fā)送)：
　　
　　為了獲得最優(yōu)RTS門限，接下來將根據(jù)DCF的重傳機(jī)制分析一個(gè)分組傳送過程需要的傳輸時(shí)間開銷。
2.2 混合方式網(wǎng)絡(luò)的最佳RTS門限
　　設(shè)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)" title="網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)">網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分組單次發(fā)送的成功概率為P_s，單次發(fā)送失敗的概率為P_c=(1-P_s)，設(shè)分組重傳次數(shù)最大值為M(在基本方式和RTS/CTS方式中，分組重傳次數(shù)的最大值分別被設(shè)定為短幀重傳極限7和長幀重傳極限4)，則分組連續(xù)重傳(失敗)m(0≤m≤M)次后成功傳送的概率為P_c^mP_s，其對應(yīng)的時(shí)間開銷為T_suc+mT_con，分組連續(xù)M次傳送完全失敗的概率為p_c^m，對應(yīng)的時(shí)間開銷為MT_con，則單個(gè)數(shù)據(jù)分組傳送總的時(shí)間開銷(包括重傳，但不包括回退所花費(fèi)的時(shí)間)的期望值可表示為：
　　
　　Ms表示RTS/CTS采用的短幀重傳極限，Ml表示基本方式采用的長幀重傳極限，_bas表示基本方式下單個(gè)分組傳送的總時(shí)間開銷的期望，_rts表示RTS/CTS方式下單個(gè)分組傳送的總時(shí)間開銷的期望。從而可以分別得到基本方式和RTS方式下單個(gè)數(shù)據(jù)分組傳送總的時(shí)間開銷的期望值：

　　由L_opt的表達(dá)式可知，其中的變量只有P_s(注意P_c=1-P_s)，而其他量均為DCF定義的常量，因此接下來的工作就是如何獲取信道的分組成功傳送概率P_s。
2.3 當(dāng)前信道分組發(fā)送成功概率的估計(jì)
　　為了獲得最佳的RTS門限L_opt，首先需要估計(jì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分組單次發(fā)送的成功概率。設(shè)C_i為布爾型變量，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送成功時(shí)C_i值設(shè)為1，失敗時(shí)設(shè)為0。表示當(dāng)前分組成功發(fā)送概率的預(yù)測值。設(shè)α為記憶因子，α∈[0，1]。則當(dāng)前信道分組成功發(fā)送概率的預(yù)測值的遞推公式可表示為：
　　
　　記憶因子α的取值對當(dāng)前數(shù)據(jù)分組發(fā)送的成功概率和失敗概率的預(yù)測有著重要影響。當(dāng)α的取值太小時(shí)，會(huì)造成最近一次數(shù)據(jù)發(fā)送成功或失敗對預(yù)測值的影響過大而使預(yù)測結(jié)果具有較多的偶然性；當(dāng)α的取值太大時(shí)，會(huì)造成所預(yù)測的值不能及時(shí)反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的競爭狀況。在本文中α取0.95(也可以采用其他經(jīng)驗(yàn)值)。
3 仿真分析
　　仿真采用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET8.1，其中無線局域網(wǎng)802.11DCF采用的仿真參數(shù)如表1所示。物理層采用DSSS，信道傳輸速率R為1Mbps，傳播時(shí)延δ為1μs，無線傳輸距離為300m。

　　網(wǎng)絡(luò)場景大小為250m×250m的矩形區(qū)域，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為20個(gè)，編號分別為1~20。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，分組產(chǎn)生時(shí)間服從參數(shù)為0.1秒的指數(shù)分布，分組長度服從參數(shù)為1 024B的指數(shù)分布。仿真時(shí)間為10分鐘，其中節(jié)點(diǎn)1~10始終處于發(fā)送狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)11~20分別在0~2分鐘、4~6分鐘和8~10分鐘處于空閑狀態(tài)，在2~4分鐘和6~8分鐘處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，以仿真網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)量較低和較高時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)。仿真采用基于記憶加權(quán)的預(yù)測算法對分組發(fā)送的成功概率P_s進(jìn)行預(yù)測，α取0.95。
　　仿真分組傳送的時(shí)間開銷RTS方式與自適應(yīng)RTS方式比較如圖3所示，可以看出，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小(0~2分鐘、4~6分鐘和8~10分鐘，即10個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送)時(shí)，自適應(yīng)RTS方法成功傳送一個(gè)數(shù)據(jù)分組所需要的時(shí)間開銷明顯低于單純的RTS方法(約為1ms)；在數(shù)據(jù)流量較大(2~4分鐘和6~8分鐘，即20個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送)的情況下，自適應(yīng)RTS方法成功傳送一個(gè)數(shù)據(jù)分組所需要的時(shí)間開銷比單純的RTS方法略低，說明在分組傳送開銷和節(jié)點(diǎn)節(jié)能方面自適應(yīng)RTS方法優(yōu)于單純的RTS方法?；痉绞脚c自適應(yīng)RTS方式的時(shí)間開銷比較如圖4所示。它表明：在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小的情況下，自適應(yīng)RTS方法成功傳送一個(gè)數(shù)據(jù)分組所需要的時(shí)間開銷比單純的基本方法略低；在數(shù)據(jù)流量較大的情況下，自適應(yīng)RTS方法成功傳送一個(gè)數(shù)據(jù)分組所需要的時(shí)間開銷明顯低于單純的基本方法(約為1ms)。說明在分組傳送開銷和節(jié)點(diǎn)節(jié)能方面自適應(yīng)RTS方法優(yōu)于單純的基本方法。

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　　仿真分組傳輸效率。定義分組傳輸效率為傳送一個(gè)分組所需要的時(shí)間開銷(包括重傳分組的時(shí)間，但不包括DCF退避時(shí)間)與該分組中有效數(shù)據(jù)載荷傳送需要的時(shí)間之比。RTS與自適應(yīng)RTS方式比較如圖5所示。它表明：在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小(0～2分鐘、4～6分鐘和8～10分鐘，即10個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送)時(shí)，自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率明顯高于單純的RTS方法；在數(shù)據(jù)流量較大(2～4分鐘和6～8分鐘，即20個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送)時(shí)，自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率與單純的RTS方法基本相當(dāng)，說明自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率優(yōu)于單純的RTS方法?；痉绞脚c自適應(yīng)RTS方式分組傳輸效率比較如圖6所示。它表明，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小的情況下，自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率與單純的基本方法差不多；在數(shù)據(jù)流量較大的情況下，自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率略高于單純的基本方法。這說明雖然自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率與單純的基本方法非常接近，但自適應(yīng)RTS方法的傳輸效率仍然優(yōu)于單純的基本方法。

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