基于IEEE 802.11 MAC协议中退避机制的分析与改进

摘要

近年来,无线局域网发展迅速并被广泛应用。介质访问控制(MAC)作为局域网的关键技术之一,对局域网的网络性能(如吞吐量与时延性能)起着决定性的作用。无线局域网由于其传输介质及移动性等特点,与有线局域网采用不同的MAC机制。研究无线局域网MAC机制,制定高效的MAC子层协议,优化信道分配,提高网络性能,是目前WL,AN研究的重要课题。IEEE802.11是目前使用最广泛的无线局域网协议标准。
　　 IEEE802.11MAC的基本访问方式为分布式协调方式(DCF)。DCF的核心是CSMA/CA机制,各站点根据二进制指数退避算法(BEB)设置退避窗口,然后在退避窗口中随机选择一个时隙进行退避,以此实现各站点对无线信道的共享使用。但是,该退避机制性能并不高,尤其是在高负载的情况下,网络性能很差。其主要原因有两个,第一,BEB退避算法以碰撞次数作为条件来设置退避窗口,由于没有评估网络负载程度,因此退避窗口的设置不能适应多变的网络环境,会导致信道碰撞概率的增加,从而降低网络吞吐量;第二,IEEE802.11DCF的退避时隙选择概率分布具有明显的不均匀性,这样也会导致很高的信道碰撞概率。
　　 本文对IEEE802.11DCF的退避机制进行了系统分析,从两个方面对该退避机制进行了改进:
　　 (1)提出一种基于变化率的退避算法(BDQ),在该算法中引入节点碰撞频率的相对变化率和节点成功发送频率的相对变化率来衡量当前网络负载程度,并根据这两种变化率动态调整竞争窗口。
　　 (2)提出一种基于退避窗口分段策略和退避时间间隔循环的退避时隙选择机制,该机制提高了退避时隙选择概率分布的均匀性和站点的公平性,降低了信道接入的竞争。
　　 本文通过建立马尔可夫(Markov)链模型,理论证明了采用BDQ算法的DCF协议性能优于BEB算法。并通过NS2仿真实验证实了改进的退避机制可以适应网络负载的变化,提高系统的吞吐量,降低丢包率和端到端的时延。