陸彩霞

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,223003）

無(wú)線局域網(wǎng)退避算法的研究與改進(jìn)

陸彩霞

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,223003）

針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率、覆蓋范圍及穩(wěn)定性等方面的缺陷，本文從IEEE 802.11MAC協(xié)議的 CSMA/CA 機(jī)制出發(fā)，總結(jié)了傳統(tǒng)退避算法的優(yōu)缺點(diǎn)，引入了一種新的退避算法，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)表明，新算法能顯著提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能。

無(wú)線局域網(wǎng)；退避算法；網(wǎng)絡(luò)吞吐量；仿真

0 引言

隨著無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的日益普及，如何提升其網(wǎng)路覆蓋率、穩(wěn)定性及傳輸速率成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而在無(wú)線局域網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，IEEE 802.11MAC協(xié)議是影響無(wú)線網(wǎng)路性能和功能的關(guān)鍵，基于此本文從IEEE 802.11MAC協(xié)議的CSMA/CA 機(jī)制出發(fā)，引入了退避算法思想，分析了傳統(tǒng)退避算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出一種新的退避算法，有效區(qū)分網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀態(tài)，提升了網(wǎng)絡(luò)適用范圍和靈活性，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)性能。

圖1 CSMA/CA機(jī)制的避讓工作流程

1 無(wú)線網(wǎng)路CSMA/CA機(jī)制的退避原理

無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用以IEEE802.11 標(biāo)準(zhǔn)為相關(guān)協(xié)議，采用DCF機(jī)制，該機(jī)制的工作原理是基于CSMA/CA（載波偵聽多址訪問(wèn)與沖突避免），借助二進(jìn)制指數(shù)退避算法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突問(wèn)題，其工作流程如圖1.

2 無(wú)線局域網(wǎng)中傳統(tǒng)退避算法分析

2.1 BEB算法

BEB算法，也即上述CSMA/CA機(jī)制所采用的二進(jìn)制指數(shù)退避算法，指在遇到重復(fù)沖突時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)值CW的2倍操作來(lái)進(jìn)行再次傳輸，有利于負(fù)荷的平滑，但無(wú)法避免沖突。BEB算法的流程是：（1）進(jìn)行避讓時(shí)間的確定，多為2t,（2）界定重復(fù)傳輸次數(shù)K，K=min(K≤10 )(3)從離散型整數(shù)集合[0，1，2，″″，(2^k－1)]中，隨機(jī)抽取一個(gè)數(shù)做R,重傳的避讓時(shí)間為：T=R×2τ，（4）重傳次數(shù)限定在16次，否則就丟棄該幀，將傳輸失敗報(bào)告給高層協(xié)議。

BEB算法存在不足，對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境負(fù)載欠缺考慮，且數(shù)據(jù)傳輸處理方式上因?qū)Ω?jìng)爭(zhēng)窗口值的充值，產(chǎn)生CWmin最小值，并借此優(yōu)勢(shì)持續(xù)占用信道，造成信道吞吐量降低和分配不均衡的現(xiàn)象。

2.2 MILD算法

MILD算法，指當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生傳輸沖突時(shí)，對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口值CW乘以相關(guān)系數(shù)操作，與BEB的差異在于不會(huì)將競(jìng)爭(zhēng)窗口值直接重置為CWmin,而以線性遞減的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口值相關(guān)系數(shù)的減除，從而減緩其下降速度，也使得該算法在網(wǎng)路高負(fù)載的狀態(tài)下具有更好的優(yōu)勢(shì)性。

MILD算法的優(yōu)缺點(diǎn)都集中在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重的情況下，競(jìng)爭(zhēng)窗口值下降速率的減緩，但是若出現(xiàn)較少節(jié)點(diǎn)時(shí)，則靈活性不佳，存在分配不公平現(xiàn)象。

3 無(wú)線局域網(wǎng)退避算法的改進(jìn)

根據(jù)上述算法的分析，改進(jìn)的算法應(yīng)該體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的公平性，關(guān)鍵在于競(jìng)爭(zhēng)窗口值的合理設(shè)定，由此，本文中新的退避算法，首先對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口值預(yù)先設(shè)定一個(gè)范圍[CWmin,CWmax]，且在該取值范圍內(nèi)選取一個(gè)限制CWnet，以此作為網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)激烈與否的判別門限值，當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)窗口值高于CWnet時(shí)，則競(jìng)爭(zhēng)較為激烈，相反則較為平緩，并據(jù)此采用不同避讓算法，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)沖突平衡能力和吞吐量的優(yōu)化。

新的退避算法改進(jìn)如下分析：

首先，對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口值設(shè)定一個(gè)范圍[CWmin,CWmax]，且在該取值范圍內(nèi)選取一個(gè)限制CWnet，當(dāng)CW≤CWnet，競(jìng)爭(zhēng)激烈，此時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生沖突采用BEB退避算法以競(jìng)爭(zhēng)窗口值的2倍作為新的競(jìng)爭(zhēng)窗口值，就能夠表現(xiàn)出良好的實(shí)用性。且即使在競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)較平緩時(shí)，直接將競(jìng)爭(zhēng)窗口值置為CWmin也是沒有必要的，由此將其置為原競(jìng)爭(zhēng)窗口值CW的1/2即可，既有效控制了競(jìng)爭(zhēng)窗口值的下降速度，也避免影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖2 新的退避算法流程

其次，當(dāng)CW ＞ CWnet 時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)較為激烈，也即網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，屬于高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，此種狀態(tài)下，若數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口值 CW 進(jìn)行乘以 2 的操作；而在發(fā)送成功時(shí)，則對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口值進(jìn)行乘以 0.8 的操作，以此降低競(jìng)爭(zhēng)窗口值下降速率，降低沖突發(fā)生率。

再次，確定不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的退避方法之后，要設(shè)定CWnet值，結(jié)合新算法，可得出大致的區(qū)分網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀態(tài)的值，以此來(lái)劃分網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。一般在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，多節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口值，也即E[CW],當(dāng)退避時(shí)間達(dá)到此值時(shí)，則網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)。

若網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度的分布概率為P，各節(jié)點(diǎn)特定，P值與時(shí)隙長(zhǎng)度成倍數(shù)關(guān)系，由此，數(shù)幀長(zhǎng)度i的概率為：

公式（3） 中的參數(shù)E[B]為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送時(shí)發(fā)生沖突從而產(chǎn)生退避，該時(shí)間即為平均值，即為（4）同時(shí)，以此無(wú)沖突成功傳輸數(shù)據(jù)幀的時(shí)間：

由此可得無(wú)線網(wǎng)絡(luò)吞吐量為：

新退避算法的流程如圖2.

4 基于OPNET軟件的仿真與分析

為了有效驗(yàn)證改進(jìn)的退避算法的優(yōu)勢(shì)性，本文以O(shè)PNET軟件來(lái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，采用兩種網(wǎng)絡(luò)模型，一種為5個(gè)節(jié)點(diǎn)，一種為10個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)比分析了改進(jìn)算法和BEB在這兩種網(wǎng)絡(luò)模型中的吞吐量仿真結(jié)果，如圖3。圖中曲線new1 和new2分別表示采用新算法時(shí)5 個(gè)節(jié)點(diǎn)和10個(gè)節(jié)點(diǎn)下的吞吐量曲線； BEB1 和BEB2分別表示采用 BEB 算法時(shí)5個(gè)和10個(gè)節(jié)點(diǎn)下的吞吐量曲線。

圖3 改進(jìn)算法吞吐量仿真圖

由圖可知，采用改進(jìn)后的退避算法所得到的吞吐量要比BEB退避算法的吞吐量曲線高，因此，改進(jìn)后的退避算法相比于BEB算法，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷程度逐漸加大的情況下，有著更好的緩解壓力作用。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線局域網(wǎng)中IEEE 802.11MAC 協(xié)議中，多節(jié)點(diǎn)之間的信道是通用的，發(fā)生沖突的概率極高需要有效避讓，而避讓時(shí)間是隨機(jī)的從競(jìng)爭(zhēng)窗口中均勻選出，該窗口的大小是依據(jù)不同的退避算法計(jì)算得出的，但經(jīng)實(shí)踐證明，傳統(tǒng)算法在重負(fù)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，無(wú)法保障公平性及較高的吞吐量，由此，本文改進(jìn)了傳統(tǒng)算法，有效區(qū)分網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀態(tài)，提升了網(wǎng)絡(luò)適用范圍和靈活性。

[1]婁曉倩. 無(wú)線局域網(wǎng)MAC層協(xié)議技術(shù)及退避算法的研究[D].東北大學(xué),2012.

[2]韓笑. 無(wú)線局域網(wǎng)退避算法的研究與改進(jìn)[D].西安電子科技大學(xué),2014.

[3]呂超,陳向東. 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)預(yù)約退避算法的實(shí)現(xiàn)和分析[J]. 通信技術(shù),2011,08:48-50.

Wireless LAN backoff algorithm and Its Improvement Research

Lu Caixia
(Huaian College of Information Technology，223003)

Due to defects of the wireless'shortages on transmission rate,coverage and stability，this paper starts from the CSMA / CA mechanism of IEEE 802.11MAC protocol,and summarizes the advantages and disadvantages of various typical back-off algorithms.Then it introduces a new back-off algorithm.Computer simulation experiments show that the proposed algorithm can improve the network throughput and optimize the performance of the wireless network .

WLAN;Back-off Algorithm;Network throughput;Simulation

TN98

A

陸彩霞（1979-），女，碩士研究生，講師、工程師，現(xiàn)任淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院教師，主要研究方向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與Linux。