MAC协议优化例证算法

　　当某个站点有数据帧发送时，首先检测信道状态，如果信道处于空闲状态超过一个DIES时隙时，站点将立 即发送数据帧；否则，站点将一直监听信道，直到信道处于空闲超过一个DIFS时隙为止。当信道空闲时间满 足DIFS时隙长度后，站点随机退避一段时间后发送数据帧。为了更好地解决隐藏终端产生的碰撞问题， IEEE802.11采用RTS/CTS机制，发送节点和接收节点以握手的方式进行预约。发送站点首先发送一个短RTS帧 来预约信道，若信道空闲，接收站点收到RTS帧后经过SIFS时隙，发送一个CTS帧。发送节点收到CTS帧后， 即可发送数据帧。接收节点正确接收后发送一个回应帧ACK帧，来确认正确收到该数据帧，如图1所示。

图1 CSMA+RTS/CTS接人机制

　　为了避免碰撞，IEEE 802.11使用二进制指数退避算法（binary exponentialbackoff algorithm）。具体 方法是，在应用二进制指数退避算法时，站点首先从0和竞争窗口（contentIon window，CW）之间选择一个 随机数，然后节点通过这一随机数来计算所需的退避时间（Backoff Time）。

　　Backoff Time＝Random（0，CW）×SlotTime

　　其中，SlotTime为协议时隙。

　　当某个想发送数据帧的站点使用退避算法选择竞争窗口中的某个数值后，就根据该数值设置一个退避计时 器Timer。若在该时隙时间段内，信道保持空闲，则Timer减1；若信道忙，则冻结退避计时器的数值Timer不 变，并记录下当前值，重新等待媒体变为空闲。经过时间DIFS后，站点继续启动退避计时器（从Timer剩下 的记录值开始减1），直到Timer为0，开始发送数据帧。在IEEE 802.11标准协议中，每个站点都执行载波监 听，来判断信道的忙闲状态。因此，每个节点都能实时得到网络状态信息，我们可以根据此信息来规划节点 的发送动作。

　　1．时隙利用率

　　我们给时隙利用率作出这样定义：IEEE 802.11协议中每个节点在发送数据帧前执行退避算法，并检测信道 状态，那么时隙利用率为退避计时器被冻结次数与退避过程经过的总时隙的比值。

　　Num_Busy_Times表示该节点退避计时器被冻结的次数，Num_Available_slots表示退避过程经过的总时隙数 ，包括空闲时隙和忙时时隙。

　　2，优化例证算法P_PBA

　　IEEE 802.11 DCF协议采用标准的二进制指数退避算法，通过竞争窗口和退避级数两个参数来解决碰撞问题 。初始条件下退避级数为0，竞争窗口值为值CWmin。每次传输碰撞后，退避级数增加l，竟争窗口值将 翻倍直到达到值CWmax。在每次成功传输后，退避级数变为0，竞争窗口恢复为值CWmin。在网络竞 争等级低时，算法显示出良好的性能。但当网络竞争等级高时，网络中活跃节点多，大量节点在成功发送数 据帧后，将竞争窗口值变为值，则各个节点再次发送数据帧时碰撞概率增大，进而重新碰撞选择竞争窗 口值。而重新碰撞选择竞争窗口值过程，会导致更多无意义的碰撞，使得网络吞吐量迅速下降，整个网络性 能恶化。

　　该节例证提出MAC协议优化例证P＿PBA算法。P_PBA算法在站点发送数据帧成功后，按一定概率P'将竞争窗 口变为值，否则以概率1-P'保持竞争窗口不变。概率P'计算公式为P'＝1-s_u。由于IEEE 802.11中节点 执行载波监听机制，因此时隙利用率很容易得到，且它无需任何硬件上的要求，也没有带来其他开销。在网 络负载轻时，时隙利用率小。随着时隙利用率增大，就意味着数据帧发生碰撞的概率就越大。时隙利用率为 一个[0，1］之间的随机数，并能够实时映射网络的繁忙程度。因此，概率p′能够根据当前网络的竞争情况 ，规划下次发送数据帧的发送动作，提高无线信道的利用率。

　　P_PBA算法通过执行载波监听机制，使各个节点独立地获得概率p'，具有分布式特性。节点根据概率p′来 判断竞争窗口是否变为值，在下次发送中考虑网络拥塞状态的影响从而减少不必要的碰撞。它对标准 IEEE 802.11退避算法作了一定修改。当某个想发送数据帧的节点在确定退避计数器值之后，开始检测信道 ，若该时隙内信道空闲，退避计时器值减1；若该时隙信道忙，则冻结退避计时器并记录退避计时器的冻结 次数。当退避计时器值为0，开始发送数据帧。若数据帧成功传输，节点按概率p′将竞争窗口设为初始值， 以1—p′的概率保持竞争窗口值不变；若数据帧发生碰撞，P＿PBA将翻倍竞争窗口直到达到值。

　　在P_PBA算法中，使用概率p′来判断节点成功发送后竞争窗口是否变为值。如果网络中活跃节点较少 ，则时隙利用率比较低，概率p＇值就会比较高。节点成功发送数据帧后，竞争窗口会以高概率变为初始值 ，减少产生的空闲时隙数。若网络中活跃节点比较多，时隙利用率会很高，概率夕′值很小。节点发送成功 后，竞争窗口会以高概率维持不变。算法利用载波监听机制，通过记录退避过程时隙的状态（忙或空闲）， 计算概率p′。因此，算法能实时得到当前网络状态，动态优化退避算法，提高无线信道的利用率。P_PBA算 法减少了碰撞的可能性，提高系统的吞吐率，得到较好的网络性能。该算法能够获得好的信道共享性，改善 了时隙选择概率的不均匀性，减少由此产生的碰撞。尤其在网络繁忙时，大量节点在成功发送数据帧之后， 将以高概率维持同竞争窗口值不变，提高下次成功发送的可能性。

　　3．基于P_PBA方法的优化改进IEEE 802.11协议

　　本节设计的P_PBA算法将动态地调整节点的竞争窗口值，在标准IEEE802.11 MAC协议上做简单修改得到改进 协议。协议中通过时隙利用率和概率夕′确定竞争窗口值，执行发送动作。在发送失败后IEEE 802.11标准 协议翻倍竞争窗口值，发送成功后，以概率p′设置窗口值，协议框图如图2所示。

图2 基于P_PBA方法的改进IEEE 802.11协议

　　本节点有数据帧要发送，同IEEE 802.11协议标准接入控制方法一致，并设置冻结计数器值为0，根据 竞争窗口值随机产生退避计数器的值，执行二进制指数退避过程，在每个时隙忙时，冻结计数器值加1，退 避过程结束后，立即发送数据帧。若发送成功，则根据冻结计数器值和产生退避计数器的值计算出时隙利用 率，根据公式P′＝1－s_u计算出概率夕＇的值。节点产生一个0～1之间的随机数，若随机数小于概率P′， 则设置节点的竞争窗口值为值；若随机数大于概率P′，则设置节点的竞争窗口值保持不变。若数据帧 发送失败，同IEEE 802．11协议处理竞争窗口值一样，即增大一倍竞争窗口值，直到增大到竞争窗口值 为止。协议具体执行流程如图3所示。

图3   协议实现流程图

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