摘 要： 通過分析IEEE 802.11 DCF的分組發送過程，分別獲得了RTS和基本方式下分組傳輸的時間開銷，通過對當前信道分組發送的成功概率Ps的預測，給出了最優RTS門限的計算公式和具體的自適應RTS門限調整算法，使終端能自動調整其RTS門限以達到或接近最優值。仿真表明自適應RTS門限調整算法有效減小了MAC分組傳送的時間開銷，提高了信道的傳輸效率。
關鍵詞： 無線局域網" title="無線局域網">無線局域網 802.11 DCF RTS門限 分組成功傳送概率 自適應RTS門限調整
1 802.11 DCF工作機制
近年來，隨著無線通信技術和個人移動通信需求的不斷增長，無線局域網WLAN(Wireless Local Area Network)作為現有移動通信技術的重要補充，受到業界越來越多的重視。美國電子電機工程師學會IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)的802.11工作組主要致力于無線局域網的標準化問題。目前已經提出了無線局域網的媒體訪問控制層MAC(Media Access Control)和物理層PHY(Physical)規范。無線信道的廣播特性，使無線局域網的媒體訪問控制標準與有線網有很大區別。IEEE 802.11標準包括分布式協調功能DCF(Distributed Coordination Function)和點協調功能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據的異步傳送。DCF采用載波偵聽多路接入帶沖突避免的二進制指數隨機回退算法CSMA/CA(Carry Sensing Multiple Access/Collision Avoidance)。與固定網不同，無線節點在傳送數據時，由于不能同時對信道進行偵聽，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的補充，PCF則主要用于提供無沖突的實時業務，但由于PCF需要網絡中存在一個中心接入點，使得網絡不再具有分布式的結構。因此本文主要研究具有分布式特點的DCF的性能。
在DCF中存在兩種接入技術。缺省采用基本接入方式，其幀時序圖如圖1所示。源節點發送分組后，只有當源節點正確收到目的節點返回的確認消息ACK時才標志發送成功。為了減少無線網絡中的隱藏終端問題，DCF還提供了一種基于RTS/CTS(Request To Send/Clear To Send)握手的接入方式，其幀時序圖如圖2所示。在數據分組發送之前，采用RTS/CTS握手獲得信道使用權，目的節點收到數據后發送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方式在數據分組較長的情況下可以大大提高網絡的性能。一個終端可以工作在“混合”模式下，當數據包長度大于RTS門限時,采用RTS/CTS方式傳送,反之則采用基本方式傳送。
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已有的文獻大都從飽和吞吐率" title="吞吐率">吞吐率的角度出發，對802.11DCF的性能進行分析和提高，文獻[4]和[5]假設碰撞概率恒定獨立，用解析的方法對802.11 DCF的性能作了定量分析。文獻[5]分析了基本方式下的網絡飽和吞吐率以及它與相關網絡參數的關系。而文獻[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式，其中給出了一種計算混合方式網絡吞吐率的方法。然而無線局域網大部分時間工作在非飽和(輕負載)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算法。
基于分組單次成功發送持續的時間、單次碰撞持續的時間和當前信道的分組成功傳送概率，本文給出了混合方式下最優RTS門限的計算方法。基于最優RTS門限的計算方法提出了一個自適應RTS門限調整算法,以便終端能夠根據當前的網絡環境計算當前信道的分組成功傳送概率，從而計算出當前分組傳送所需的RTS門限，以減小分組傳送的時間開銷和提高整個網絡的信道利用率。
2 自適應RTS門限調整算法
現有DCF中，無線終端可以選擇RTS/CTS或基本方式進行分組傳送。RTS門限設定后，當數據分組長度小于RTS門限時，采用基本方式傳送；當分組長度大于RTS門限時，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方式的傳送機制有所不同，因此兩者所需花費的時間開銷也有差別。當網絡中分組傳送的成功率很高(沖突很低)時，即使數據分組很長，采用RTS方式所需的時間代價也會高于基本方式(因為傳送RTS/CTS幀會增加時間開銷)；當網絡分組成功傳送率很低(沖突嚴重)時，即使較短的分組(分組長度大于RTS/CTS幀，小于設定的RTS門限)，采用RTS方式也會減小分組傳送的時間開銷。因此RTS門限值的設定與當前信道的分組成功傳送率(或失敗概率)有關。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，傳輸一個數據分組所需要的時間開銷均是關于數據分組長度L的單調遞增函數，而且兩個函數存在一個交點。這就意味著，對于任意信道競爭強度，存在一個最優的RTS 門限，基于該門限選擇采用基本方式或RTS/CTS方式傳送，可以使得傳送一個數據分組所需時間代價最小。現有DCF存在的問題是：RTS門限被設置為常量而不能根據當前信道競爭強度的變化做相應調整，這種固定設置將會增加分組傳送的時間開銷。
2.1 分組發送成功和失敗的時間開銷
無線節點的能量主要消耗在分組的發送和接收階段，尤其是在分組的發送階段，而在緩存和退避階段消耗的能量很小。設單位時間內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器的工作時間成正比，因此分組傳送的時間開銷(不包括分組的緩存時間和分組在DCF退避階段所等待的時間)是被關注的重要參數。設R是信道的數據速率，δ是傳播時延，數據包載荷長度為L(字節)，PHY為IEEE 802.11 DCF中的PLCP頭，共192位，當傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率為1Mbps時，其對應的時間為192μs。根據IEEE 802.11 DCF中的定義，單個分組傳送成功或失敗的時間開銷T可以表示如下(上標rts表示RTS/CTS方式，上標bas表示基本方式，下標suc表示成功發送，下標con表示失敗的發送)：
為了獲得最優RTS門限，接下來將根據DCF的重傳機制分析一個分組傳送過程需要的傳輸時間開銷。
2.2 混合方式網絡的最佳RTS門限
設當前網絡數據" title="網絡數據">網絡數據分組單次發送的成功概率為Ps，單次發送失敗的概率為Pc=(1-Ps)，設分組重傳次數最大值為M(在基本方式和RTS/CTS方式中，分組重傳次數的最大值分別被設定為短幀重傳極限7和長幀重傳極限4)，則分組連續重傳(失敗)m(0≤m≤M)次后成功傳送的概率為PcmPs，其對應的時間開銷為Tsuc+mTcon，分組連續M次傳送完全失敗的概率為pcm，對應的時間開銷為MTcon，則單個數據分組傳送總的時間開銷(包括重傳，但不包括回退所花費的時間)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分組傳送的總時間開銷的期望，rts表示RTS/CTS方式下單個分組傳送的總時間開銷的期望。從而可以分別得到基本方式和RTS方式下單個數據分組傳送總的時間開銷的期望值：
由Lopt的表達式可知，其中的變量只有Ps(注意Pc=1-Ps)，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Ps。
2.3 當前信道分組發送成功概率的估計
為了獲得最佳的RTS門限Lopt，首先需要估計當前網絡數據分組單次發送的成功概率。設Ci為布爾型變量，當節點數據分組發送成功時Ci值設為1，失敗時設為0。
表示當前分組成功發送概率的預測值。設α為記憶因子，α∈[0，1]。則當前信道分組成功發送概率的預測值的遞推公式可表示為：
記憶因子α的取值對當前數據分組發送的成功概率和失敗概率的預測有著重要影響。當α的取值太小時，會造成最近一次數據發送成功或失敗對預測值的影響過大而使預測結果具有較多的偶然性；當α的取值太大時，會造成所預測的值不能及時反映當前網絡的競爭狀況。在本文中α取0.95(也可以采用其他經驗值)。
3 仿真分析
仿真采用網絡仿真軟件OPNET8.1，其中無線局域網802.11DCF采用的仿真參數如表1所示。物理層采用DSSS，信道傳輸速率R為1Mbps，傳播時延δ為1μs，無線傳輸距離為300m。
網絡場景大小為250m×250m的矩形區域，節點數量為20個，編號分別為1~20。當節點處于發送狀態時，分組產生時間服從參數為0.1秒的指數分布，分組長度服從參數為1 024B的指數分布。仿真時間為10分鐘，其中節點1~10始終處于發送狀態，節點11~20分別在0~2分鐘、4~6分鐘和8~10分鐘處于空閑狀態，在2~4分鐘和6~8分鐘處于數據發送狀態，以仿真網絡在數據量較低和較高時的各項指標。仿真采用基于記憶加權的預測算法對分組發送的成功概率Ps進行預測，α取0.95。
仿真分組傳送的時間開銷RTS方式與自適應RTS方式比較如圖3所示，可以看出，在網絡數據流量較小(0~2分鐘、4~6分鐘和8~10分鐘，即10個節點發送)時，自適應RTS方法成功傳送一個數據分組所需要的時間開銷明顯低于單純的RTS方法(約為1ms)；在數據流量較大(2~4分鐘和6~8分鐘，即20個節點發送)的情況下，自適應RTS方法成功傳送一個數據分組所需要的時間開銷比單純的RTS方法略低，說明在分組傳送開銷和節點節能方面自適應RTS方法優于單純的RTS方法。基本方式與自適應RTS方式的時間開銷比較如圖4所示。它表明：在網絡數據流量較小的情況下，自適應RTS方法成功傳送一個數據分組所需要的時間開銷比單純的基本方法略低；在數據流量較大的情況下，自適應RTS方法成功傳送一個數據分組所需要的時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點節能方面自適應RTS方法優于單純的基本方法。
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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分組所需要的時間開銷(包括重傳分組的時間，但不包括DCF退避時間)與該分組中有效數據載荷傳送需要的時間之比。RTS與自適應RTS方式比較如圖5所示。它表明：在網絡數據流量較小(0～2分鐘、4～6分鐘和8～10分鐘，即10個節點發送)時，自適應RTS方法的傳輸效率明顯高于單純的RTS方法；在數據流量較大(2～4分鐘和6～8分鐘，即20個節點發送)時，自適應RTS方法的傳輸效率與單純的RTS方法基本相當，說明自適應RTS方法的傳輸效率優于單純的RTS方法。基本方式與自適應RTS方式分組傳輸效率比較如圖6所示。它表明，在網絡數據流量較小的情況下，自適應RTS方法的傳輸效率與單純的基本方法差不多；在數據流量較大的情況下，自適應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RTS方法的傳輸效率與單純的基本方法非常接近，但自適應RTS方法的傳輸效率仍然優于單純的基本方法。
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基于分組單次成功發送持續的時間、單次碰撞持續的時間和當前信道分組的成功發送概率，本文給出了以最小化傳輸時間開銷為目標的最優RTS門限的計算公式。通過估計當前信道數據分組發送的成功概率Ps實現了最優RTS門限的計算。基于最優RTS門限的計算方法設計出了一個分布式自適應RTS門限的調整算法。仿真結果驗證了本文的理論分析和RTS門限調整算法的正確性。從分組傳送所需的時間代價和信道的傳輸效率兩個方面來看，自適應RTS門限調整算法明顯優于單純的RTS方法或基本方法，因此本文所介紹的優化傳輸時間的自適應RTS門限調整算法能夠有效提高802.11DCF的性能。
參考文獻
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