谢智勇

（江西农业大学南昌商学院，江西南昌市庐山中大道888号 330044）

摘  要：以802.11MAC为研究对象，分析了基于802.11MAC的DCF协议基本原理，基于DCF协议的CSMA/CA算法的性能描述。提出CSMA/CA算法是采用二进制指数退避机制，利用最小退避窗口来进行传输、退避、重传来达到减小发生碰撞次数和减少传输时间，从而实现数据信息传输误差的最小化。

关键词：IEEE802.11，MAC，DCF，协作分集

The IEEE802.11MAC layer protocol

XIE Zhi-Yong

(Jiangxi Agricultural University, Nanchang ,,Jiangxi,330044)

Abstract: taking 802.11MAC as the research object, analyzes the basic principle of 802.11MAC based DCF protocols, describe the performance of the CSMA/CA algorithm based on DCF protocol. CSMA/CA algorithm is the binary exponential backoff mechanism, using the minimum backoff window to transmit, retransmission backoff, reduce the collision times and reduce transmission time, minimized so as to realize the data transmission error.

Keywords: IEEE802.11, MAC, DCF, cooperative diversity

     无线局域网(WLAN)技术发展迅速，IEEE802.11协议标准化出台标志着无线通信网络多元化时代的到来。无线局域网(WLAN)让世界沟通更加畅通，同时也提出了更高的网络质量的要求。但是无线局域网的发展总是受传传输数度的限制使得他在众多的环境中得不到实际的应用，解决WLAN传输数率的问题是无线局域网技术发展的关键。在无线局域网中对MAC层的使用效率的高低始终是制约吞吐量提高的重要因素之一，也就是传输效率的高低总是要受到网络吞吐量的影响。要实现更高的传输速率和实现更可靠的性能，就必须要实现技术的突破，采用新的技术，实现技术的转型带动网络技术的发展。

1. IEEE802.11标准

对于802.11的MAC层来说，其主要功能就是实现控制节点对无线信道的访问，根据他们工作模式存在的差异，可以将其分为分布式协调功能DCF和点协调功能PCF两大类型，其中分布式协调功能（DCF）主要针对的是分布式无线网络的接入机制，实现信号的传输机制^[1]。

图 1  802.11 DCF基本过程

Fig. 1 Basic procedure of 802.11 DCF

分布式MAC协议的发展史要追溯到20世纪70年代的ALOIIA和时隙ALOHA，其随后载波侦听CSMA及基于RTS/CTS握手的冲突避免CA机制才在实际的应用中存在的问题才被逐渐的提出，在不断地改进中形成了801.11标准。结合图 1看出， 802.11DCF的基本的一些操作流程为：对于一个数据包的传输循环包括数据包传输帧及跟随的ACK确认帧的完全通过才能实现数据的有效传输，其中无可避免的会产生一些冲突及退避空闲间隔时间，在节点发送数据包之前，就需要知道信道传输是否处于忙状态，如果处于忙状态则数据的传输就需要等待，在信道处于空闲的状态时才能实现数据帧的传输，这就需要首先用载波监听信道的工作状态是否空闲，如果信道空闲就在DIFS时间后接入信道，加入是处于忙状态则在等待一段时间后继续监听DIFS的情况，直到DIFS出现空闲的状态时，才会启动BEB退避算法，如果是在退避过程中监听到信道处于忙状态，那么在等到DIFS再次到达空闲状态后继续执行退避命令，但是如果监听到数据包的情况下发生数据传输的冲突，则在DIFS结束后重新退避计数器数值。直到计数值变为零的时候才能实现数据的传输，发送结束后等待一定的时间，（这个时间主要是由SIFS决定的，其中SIFS是各个帧信号传输请求之间的较为短时间的间隔，主要是用来控制信道的访问权限，以确保数据帧传输的安全顺利实现。）等待一定的时间后回应ACK确认帧，这样传输的过程才算是结束。

2. IEEE 802.11协议框架

IEEE 802.11包括物理层和MAC两个部分。其中物理层和OSI的物理层之间存在非常公正的对应。从层之间的关系来看，链路层中包含MAC层，其中LLC(Logic Link Control，逻辑链路控制)也是属于MAC层的一个子层。图2给出了802.11协议栈的部分视图。

图 2  802.11协议栈的部分视图

Fig. 2  Protocol Stack Of 802.11

2. 1 物理层 (PHY)

最初的802.11标准中规定在物理层上有三种技术可以实现数据的传输，他们分别是红外线、FHSS和DHSS。随后在1999年，有两种新的技术OFDM和HR-DSSS被引进，它们以其OFDM工作速率54Mbps和HR-DSSS的11Mbps工作速率映入人们的视野。在2001年高效的OFDM调制技术引入，相比之下，与OFDM调制技术不同的是他们的工作处于不同的频率段。

红外线技术主要是通过使用0.85或者0.95um波段的漫射实现数据的传输。红外传输技术具有一定的局限性，不能穿透墙壁，在每个房间只能实现无线设备的隔离，这样既浪费成本又效率低下，同时他的1Mbps和2Mbps的传输速率远远达不到人们的要求，以及来自外界红外光线的干扰等使得他只是一种很普通的方案。

FHSS使用了79个信道来完成数据传输的要求。FHSS的随机分配ISM频段中的频谱能起到一定的安全防护的作用。在较长的信号传输距离上，FHSS机制提供了很好的对多径衰落抵抗的能力。同时对来自无线电波的干扰具有超强的抵抗力，这就使得他更加适合于家庭网络之间的数据传输，可以实现建筑物墙壁之间的穿透传输，但是他的不足就是带宽不够，数据传输的速率地下，不能满足人们实际生活的需求^[2]。

DSSS的传输数率被限制在1Mbps和2Mbps的速率上。使用的是巴克序列(Barker sequence)。从传输速率可以看出也不是一种理想的传输方式。

HR-DSSS（高速率的直接扩频序列）是一种扩频技术，和之前的传输协议的传输带宽相比具有明显的优越性，在2.4GHz频段内可实现11Mbps的传输速率。

2. 2 媒介接入控制(MAC)

IEEE 802.11 MAC子层协议和以太网的MAC子层之间存在较大的差别，在无线传输中无线局域网的网络环境更加复杂，传输设备的管理难度更大，问题的解决也会提升相应的难度。在无线局域网无线环境中无线站点总是会存在无可避免的影藏或是暴露。

802.11协议规范为MAC协议制定了5类时序间隔，其中两类短帧空间(SIFS)和时隙(slot time)是由物理层决定的基本类型。还有3类时序间隔分别为优先级帧间空间(PIFS)、分散帧间空间(DIFS) 和扩展帧间空间(EIFS)。因为信号的传输途中会不可避免的受到外界环境的影响，导致信号的传播受阻，出现信号传输停顿、滞留和延迟，所以使得信号传输达不到预期的效果，总是会受到环境的制约，所以通常的时隙时序选择为20μs。

图 3   MAC层结构

Fig. 3  MAC architecture

3.  分布式协调功能(DCF)

802.11 MAC支持 PCF和DCF两种操作模式^[3]，如图2–8所示。PCF为无线传输提供了可避免竞争的接入方式，使无线信号的传输相对来说较为稳定，而DCF则采取载波检测多路访问(CSMA/CA)机制，有效的避免了无线信号传输中的竞争。这两种模式可实现在周期内的循环交替使用，达到更好的无线传输效果。

DCF是基于载波侦听多址访问/碰撞回避(CSMA/CA)机制，在分散协调功能中的STA的主要作用是起到主动侦听作用，以确定数据的信息，当媒介处于忙的状态时就终止数据的发送命令，如果媒介处于空闲的状态，就在规定的时间内(一个DIFS或EIFS时间)随机执行退避命令。如此循环，在退避结束时再次执行数据的发送指令。如图 4所示。

图 4  基本访问方法

Fig.4   Basic Access Method

3.1  CSMA/CA机制

采用的CSMA/CA机制与CSMA/CD机制相比有很大的相似的地方，但是存在最明显的区别就是CSMA/CD中采用的是碰撞检测(Collision Detect)，而CSMA/CA中则采用的是碰撞避免(Collision Avoidance)。

CSMA/CA中的载波侦听数据帧主要指的是物理载波侦听，物理载波侦听的工作方式主要是通过判断无线信号的强弱来实现对数据包的侦听，在信道由闲到忙或是由忙到闲的时候，物理层产生PHY-CCA指令用以标明信道的工作状态。虚拟载波侦听则主要是通过发布媒介预留信息来实现对数据信息的侦听，所有的功能性质都是主要通过网络分配矢量NAV来实现的。只有在物理载波检测和虚拟载波检测两者同时达到空闲的状态时才能实现数据的发送指令。

3.2退避规程

在STA对数据帧执行命令时，首先需要做的工作就是要侦听媒介所处的工作状态，如果媒介处于忙的状态则延迟退避，如果媒介处于空闲的状态，就可以执行退避命令，开始退避，退避时间的选择如下：

Backoff Time = Random() * aSlotTime

Random是一个均匀分布在0~CW之间并且包含0和CW的随机数字，CW表示的是竞争窗口，它所处的范围是aCWmin和aCWmax之间的随机一个整数。其最小值为aCWmin，最大值为aCWmax。

退避中的STA如果在侦听到媒介处于空闲的状态的时候，退避计时器就会做减法运算，在原有的时隙间隔中减去一个时隙间隔，但是如果在媒介处于忙的状态，退避计时器此时将会处于暂停状态，等到一定时间后（空闲时间达到DIFS或EIFS后）将重新开始计数，在计数器计数数值为0时，开始执行数据的发送命令。

4  实现 802.11 DCF 的关键技术

4.1 载波侦听多址访问 / 碰撞退避

IEEE802.11的媒介访问退避策略的载波侦听多址访问 / 碰撞退避机制（CSMA/CA）来达到控制的目的。CSMA/CA 在站点在开始新的数据发送前必须首先监听信道的状态，在信道空闲的状态下才会开始数据信号的发送指令，实现数据的传输，但是前提是需要建立在物理层的载波检测中才可能实现多址访问 / 碰撞退避。

4.2 网络分配矢量（NAV）

IEEE802.11协议中为了避免冲突的发生主要是通过网络分配矢量（NAV）来实现媒介控制的目的。 NAV 主要是在媒介处于空闲的状态但是并没有工作的期间实现对每个站点保存一个 NAV，以做到对数据站点的更新，通过检测 NAV的值来控制数据的发送，所以组成了802.11 的 MAC 层的 CSMA/CA 碰撞避免机制^[4]。

4.3 CSMA/CA 工作模式

通过 RTS-CTS-DATA-ACK机制来减少站点问题所带来的影响。当工作站点需要传输数据的时候，第一步就是需要载波侦听来检测信道所处的状态，如果信道处于空闲的状态，那么就可实现数据的传输，接收端收到数据包后要回复ACK 帧给发送端。假如信道处于忙的状态则在等待一段时间（等信道持续空闲一个固定时间 DIFS 后，这个时间是随机抽取的，所以所处的状态并不是固定的）后，才继续退避计数，退避计数器待到为0时将开始执行数据的发送命令。802.11 工作流程如图 5所示。

图 5  802.11工作流程

Fig. 5  802.11 work flow

5. 集中协调功能(PCF)

IEEE802.11集中协调功能(PCF)控制权属于集中式协调器(PC， Point Coordinator)，在一般的情况下这个协调器就是AP本身，因此AP很多时候又被称为PCPCF，这个协调器具有统领机制，要求所有的STA都工作于基础网络结构中更便利于控制，PC控制所有的STA的数据帧发送，以避免在有限的时间内进行竞争。

图6  CF参数集信息单元格式

Fig. 6  CF Parameter Set element format

PC总是会在每个无竞争期的开始都会对信道进行检测，判断信道所处的状态，便于以后数据传输的实现。如果在检测中发现信道处于空闲状态时， PC就执行发送命令发送含CF参数集的信标帧STA(如图 12所示)。当信道接收到数据帧后，此时该信标的作用就是通过CF参数中的CFPMaxDuration值来实现他们NAV值更新，从而实现信息的更新。

图7反映了典型的CFP的帧传输过程。图中Ux表示的是被轮询站点发送的数据，Dx表示的是PC发送给可轮询站点的数据。他们之间存在如图所示的关系，当每一个CFP开始的时候，PC通过侦听信道的状态来发送数据帧，数据帧发送成功后，PC通过其控制权使得各STA通过信标数据帧中的CF参数中的CFPPeriod来更新本地的NAV^[5]。等到站点1收到数据帧后， CF-ACK是对收到PC发送的数据帧的应答，起到一个回访的作用，证明数据的接受。第二个阶段就是PC对站点2的轮询，通过发送Data+CF-ACK+CF-Poll帧， Data是发送给站点2的数据帧，CF-ACK主要的功能是对接收到站点1数据帧的应答，确定站点1数据的传输的情况。当PC轮询到站点3时，假设PC对站点3的轮询信息接受应答不成功，那么此时的数据帧的交换也就无法进行，等到轮询结束后PC发送CF-End帧，通知各STA将NAV复位，进入竞争期。

图7  CFP 的帧交换过程

Fig.7  Frame exchanges in CFP

6.  IEEE 802.11 MAC 协议性能分析

无线网络和有线网络存在较大的差别，无线传输和有线传输无论是在传输介质上还是在传输方式上都有不可等同的异议。其中在其传输层的概念上，最大的区别就是物理层的传输介质和 MAC 层的介质访问协议不同。无线网络是通过无线信号实现信号的传输，达到数据传输的目的。因为无线信号通过无线信号传播，在传播的过程中就会很容易的受到外界环境影响，出现信号的耗损使无线信号出现衰落现象。所以无线网络的缺点是无线信号传播范围有限、信号不稳定、传播速度收多方面因素影响等。正因为这样，所以如何建立有效的介质访问协议，对于实现无线网络的更高质量的传输尤为重要。

对于无线网络的介质共享协议性能方面的研究主要是关于ALOHA，时隙 ALOHA，CSMA 的性能研究。

对于IEEE 802.11 DCF 的性能分析有以下几点：

6.1基于 Bianchi 模型的分析

在无线局域网性能的分析中通过软件建模显得尤为重要。根据 DCF 的指数退避机制，Bianchi 提出，假设在理想的状态下，节点的信息固定不变，信道也处于理想的状态下，我们就可以得出一个节点在一个随机时刻所能发送数据帧的概率，由此可以推导出在饱和状态下吞吐率的计算公式^[6]，从而为 DCF提供了较准确的分析，在很多的研究中都有引用过Bianchi 在此的研究，多为基于 Bianchi 提出的 Markov 模型提出的翻版，也就是在一些小的性能上的修改，没有在性能上有什么突破。

6.2基于仿真实验的性能分析

IEEE 802.11 DCF有些分析不单单是通过理论可以得出结论的，必须要通过仿真实验才能实现性能的分析和评价，在仿真实验上主要是通过在模拟实际的环境中进行操作，以得到实验数据从而为分析提供有效的实际数据。如如何控制数据帧的重传次数，以达到数据传输的稳定可靠，在数据传输受控制后会产生的后果，在网络传输中存在的负载，传输数据包的大小对网络传输稳定性能的影响，DCF中节点数目和无线网络稳定性之间的关系等。

至于现有关于 IEEE 802.11 DCF 性能的研究中，多半都是存在缺陷的，侧重于性能吞吐率的分析而忽视了对延迟性能的研究，在实际的无线网络传输中，延迟性能在无线网络的质量中占有重要的地位，对 DCF 的延迟性能的分析的，这一方面是受无线网络发展趋势的影响另一方面就是技术的难度。伴随着无线网络技术的成熟以及无线网络技术在人们生活中的应用，人们对无线网络传出性能的要求越来越高，现代网络中出现的延迟性能的要求最重要的是受无线网络 MAC 层和物理层的特点影响，当信道资源占用率太高时，就会引起数据的冲突，当信道出现竞争时，此时的网络传输将会出现较高的延迟，对于这一问题的解决从根源下手主要就是提高信道的利用效率，实现信道传输的单一性。

7. IEEE 802.11 MAC 协议性能改进

通过对IEEE 802.11 DCF 的性能的分析，从中得到有效的数据来实现系统的优化升级，使无线局域网的传输协议运行机制不断地完善。这方面的研究主要有：

7.1改进指数退避（Exponential Backoff）机制

为了避免其数据发送时产生冲突，在 IEEE 802.11 DCF 中，主要通过在一个节点发送数据帧来检测信道所处的状态，当检测结果是信道处于忙的状态的时候，这个节点将继续侦听有关信道的信息，直到侦听到信道处于空闲的状态信息为止，当得到信道处于空闲的状态消息时而且这个信息能够持续一个DIFS 时间段后，开始执行退避过程，此时对退避过程中所产生的信息数据将会保存在一个计数器中。在随后的时间段内，数据帧就要不间断的侦听信道状态，当得知信道为空闲的状态时就自动实现对计数器减1，如果不能实现该操作那么计数器将处于休眠状态，当道下一个信道处于空闲的状态时，并且还能够持续DIFS时间段后激活计数器。当退避时间计数器计所显示的数值再次为0时，这个节点才会执行数据帧的发送命令。

节点的作用就是维护的竞争窗口参数 CW，起到一个确定的作用，他的工作区间是处于由物理层特征决定的CWmin和CWmax之间。在标准的 DCF 中，CW 的最小值为 CWmin。如果一个节点的数据发送失败了，此时就需要重新发送数据才能占有数据发送成功的机率。此时该节点的 CW 就会增加直到增加到 CWmax。当数据帧需要连续不间断重传时， CW 的值将会保持在CWmax状态，直到该节点发送成功， CW 将被重新置为 CWmin。

为了更加高效的实现数据的传输，提高无线网络的利用效率，使无线信道得到充分的利用，就需要针对原有的DCF机制所存在的问题进行相应的改进，方法有：1.修改竞争窗口 CW大小，优化信道的利用效率；2.修改竞争窗口 CW 的重置机制，实现数据的更高效、更稳定传输。实际上，数据的发送并不能保证一次性发送成功。同时如果数据能一次性发送成功那么也不是数据的阻塞就不会产生，只是会降低阻塞的概率。如果出现数据的阻塞将会是一个很麻烦的问题，所以当数据阻塞出现时，对于阻塞现象的消除也是一个很麻烦的问题，在DCF中不可能实现瞬间解决。但是如果数据发送成功就立即将 CW 重置为CWmin，这样的操作就会更加容易引起数据传输途中的冲突，从而引起网络阻塞，吞吐率不佳，这就需要一种有效的机制来解决这个问题，随后提出了 CW 的慢递减机制，将有效的解决这一现象，CW 的慢递减机制主要是在数据发送成功后，并不是立即重置CW为 CWmin，而是在实际的情况下来完成缓慢递减，直到CWmin。并且还可以设定不同的增长机制，为不同的优先等级的CW服务。

7.2动态调整初始竞争窗口大小

IEEE 802.11无线网络竞争窗口大小取决于物理层的特性。在 DCF 协议中，初始竞争窗口是固定值，不会受外在因素的影响发生变化，这样就容易产生的问题是，如果在网络中参与竞争信道的节点数比较多时，就会导致出现冲突的概率增加，这样就会使网络传输不稳定，传输效率下降，降低网络性能。

从根源着手根据信道竞争的节点数的数量来调整初始竞争窗口的值，是解决 DCF 性能问题的一种有效的方式。但是现在对于网络中的活动节点数目多半都是通过一种或是某种估算得到的，这些估算并不能有效反应出实际存在的网络节点数，这直接就会导致对竞争窗口的大小计算也不会有一个准确的数值。除此之外，在众多的研究中都是片面的对吞吐率的优化进行的解说而忽视了在延迟性能方面的研究，网络延迟在现在这个高速发展的社会将是网络效率低下的问题关键，所以片面的研究存在一定的局限性。

参考文献：

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[2]   林莉.超声波频谱分析技术及其应用[M].北京:机械工业出版社，2009:58-61.

[3]   赵海鸣.一种高精度超声波测距方法的研究[J]. 湖南科技报，2012，21(3):35～38.

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