基于IEEE802.11b的MAC层随机退避算法的实现技术研究

摘要： 随着WLAN技术的快速发展与广泛应用， WLAN实现技术的分析与研究成了领域中的一个热门命题。文章通过对IEEE802.11b的媒体接入控制MAC层DCF载波监听机制实现技术的研究，重点论述了随机竞争信道访问方式的随机退避算法，实现了IEEE 802.11b无线局域网中的公平访问共享的无线网络资源。

Abstract： With the rapid development and wide application of WLAN， the research and analysis on WLAN has been an important subject in wireless communication fields. This article mainly discusses implementing equitable access to shared wireless data in IEEE 802.11b wireless LAN， which apply random backoff algorithm based on the fundamental channel access by random competition. Carrier sense mechanism and backoff algorithm in IEEE802.11b MAC DCF are researched in the process.

关键词： WLAN；媒体接入控制（MAC）；DCF；退避算法

Key words： WLAN；Media Access Control；DCF；Backoff Algorithm

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）28—0211—03

0 引言

近年来，随着WLAN技术的快速发展，其使用范围不断扩大，有效地解决了有线网络中诸如维护本高成、灵活移动难、覆盖面积小等问题。然而，WLAN本身也存在着许多急待解决的问题，比如说设备间的信息传输的通道的争用、传输过程中的碰撞、影响网络的数据传输率的测度等，特别是使用一个中心接入点连接两个设备的时候，它将会被这两个设备搜到。而两个设备两两相隔的距离或存在的障碍等相关因素将会导致“隐含终端”问题。即难以感知对方的存在。

IEEE 802.11 MAC层的功能是为用户在不可靠媒介上提供可靠的数据传输，MAC子层结构的分布式协调功能（Distributed Coordination Function，DCF）采取载波监听多路访问机制，它是非常适用于时延要求不高的数据服务的一种异步数据传输方式。通过对DCF 方式的研究，根据每个节点的状态不同采取对应的退避机制，有效保证了设备之间传输的速率和数据的可靠性，提高吞吐率，使媒介达到较公平利用信道的目的。

1 分布式协调功能（DCF）原理分析

1.1 载波侦听机制分析 在IEEE 802.11中，推行了基于物理层的载波侦听（CSMA/CA）和虚拟的RTS/CTS载波侦听两种载波检测方式。

（CSMA/CA）方式是IEEE 802.11MAC最基本的接入方法，被称为“先听后说”机制。CSMA/CA密切的联系时间域的划分与帧格式，确保在相同的时刻只存在单独的一站点发送。这样一来可以达到两个目的，一是能够检查出介质是否空闲；其次是采取随机的时间等待，能尽可能的减少使信号冲突发生的几率，甚至达到避免发生。

虚拟载波监听技术解决了隐藏终端和数据报过大时信道效率下降等问题。一个工作站负责一个网络分配矢量NAV（Network Allocation Vector）的维修和保护，用NAV来表明网络忙闲状态，每个源站点估算出网络忙的时间，然后这个估算信息装入帧头发送出帧，即NAV，接收到此帧的相关站检查本地NAV，如果小于此时间则使用这个时间对本地的NAV进行替换。源站点和接收站相互主要是采取握手的方式对信息传输的通道的进行预约。也就是说，源站点首先要给目的站发送一个明确了源地址、目的地址和这次通信所需的持续时间的“发送请求（RTS）”的控制帧，如果信息传输的通道的处于空闲状态，目的站就发送一个包含这次通信所需的持续时间的“允许发送（CTS）”的响应控制帧给源站点。然后源站点收到CTS帧后，开始发送数据帧，传送信息。

1.2 退避规程分析 就要发送帧的源站点STA来说，退避规程的调用主要是两种情况，一是该STA在物理载波或虚拟载波侦听检测出媒介处于繁忙状态的时候进行的。二是当源站点预测一个发送失败的时候。

如图1所示，执行退避规程的STA用载波侦听监听信道，当发现信道为空闲时，退避计数器进入计时，计数器减掉一个时间间隙，其间，如果发现信道为忙，退避计数器自动停止计时，直到该STA检测到信道空闲的时间达到DIFS后，才允许继续计时，这时，退避计数器不会被重新设置，而是解除挂起状态的计数器值继续递减，当STA检测到数据帧发送失败时，该STA就会把此时的CW加倍，并重新开始竞争过程，直到发送成功，或达到最大CW。如果计数器为0，则开始发送。

按照上述退避机制，当多个STA需延迟并进入随机退避状态后，退避值最小的STA会在竞争当中先获得介质访问权；而竞争中失败的STA仍然保持退避状态，等到下一个DIFS。这时候原有的站就有可能会比新进入退避的站有更短的退避时间，避免有的站永远不能够获得介质访问权的情况出现。

该规程的结果：在多个正要延迟发送且进入随机退避的STA之间，产用了随机函数来选用最小退避时间的STA将会赢得竞争。

2 退避机制的分析

2.1 退避流程分析 针对以上出现的情况，本文对退避流程进行了相应研究与设计，如图2所示，其具体进程如下：