無線網絡環境下CSMA協議性能特征分析

王 雪

（大慶油田信息技術公司有線電視分公司，黑龍江大慶 163000）

在目前的信息技術發展環境之下，無線通信已經成為人們生產生活過程中不能忽視重要支持力量。從技術發展的角度看，人們對于無線通信的需求甚至于超過了相關技術體系的供給，這種狀態一方面推動著無線網絡的發展，另一個方面也從客觀上要求對當前既有的無線通信資源展開更為合理的利用，切實提升整個無線通信環境中相關資源利用率。

1 CSMA協議相關概念與發展

從無線通信的工作基礎角度看，無線通信的傳輸媒介屬于廣播信道類型，在這樣的傳輸框架中，每一個展開無線信號發送的節點展開工作的時候，相鄰的覆蓋區域內的節點都能夠接收到該信號。在這樣的環境之下，如果在同一個覆蓋區域內，如果存在多個節點同時發送無線信號，彼此之間就會產生疊加，從而在信號的接受節點上形成相互之間的干擾，影響節點無法展開正常的信號接收，降低整個信息傳輸過程的工作質量。這種狀況進一步危害到對于通信資源的利用狀況問題，信道使用方面的沖突以及無效的信號接收直接造成了資源的浪費，因此就目前的情況看，如何能夠切實實現對于整個通信過程的優化，以及對于無線通信利用率的優化，成為了突出的需求之一。

在通信協議棧中，MAC層的職責在于實現對于節點接入無線信道的時機的控制，從根本上說就是實現了對于多節點之間無線信道資源使用權的分配，是分組在信道上發送和接收過程的直接控制角色。MAC層相關協議以及算法的合理設置，對于無線信道帶寬的有效利用有著直接價值，并且進一步關系到整個通信網絡的穩定和有效性。在這樣的背景之下，MAC層的協議需要在多個問題上實現有效的均衡，其中包括提升信道利用率、優化節點發送數據的等待時間、避免節點之間的信道占用沖突等。

ALOHA是第一個面向無線傳輸服務的MAC層面協議，其運行機制比較原始，采用了一種隨機的態度展開接入控制。即在ALOHA協議的指導之下，當通信環境中存在一個節點需要發送數據的時候，立即就會展開數據的發送動作，如果這個時候通信環境中存在信道占用的沖突，則隨機等待一個時間之后再次展開數據發送動作。此種協議的工作方式在節點數量相對較少的通信環境中較為適用，隨著信息技術的發展以及實際工作環境中節點數量的不斷增加，ALOHA協議工作方式的適用性越來越低。實際上，ALOHA即便是在面對固定長度分組傳輸的時候，其最大吞吐量也僅為信道容量的18.4%，嚴重阻礙了信道利用率的提升。

在這樣的情況之下，CSMA協議應運而生。其同ALOHA一樣均屬于競爭性的MAC層協議，但是CSMA協議在展開數據發送工作之前首先對通信環境展開監聽，并且依據監聽結果來確定是否展開數據發送，以及在信道繁忙的時候采取何種策略實現等待。對于CSMA協議而言，既然已經實現了相對于ALOHA協議的改進，則應當進一步考慮展開對于無線自組織網絡的發送分組頻率、分組大小等參數對CSMA協議性能的影響，以期能夠切實實現對于通信資源以及用戶體驗的多角度優化。

2 CSMA協議的工作特征

CSMA協議經過多年的發展，已經形成了一個相對完善的協議簇。依據CSMA協議簇中不同協議的工作特征，形成了對應的信道利用特征和相應的方式，并且可以依據不同的分類標準對CSMA協議加以分類和辨識。常規來看，依據信道劃分方式不同，可以分為時隙CSMA協議與非時隙CSMA協議兩種，而對于非時隙CSMA協議而言，則可以進一步可以依據其面對信道忙碌時所采取的處理方式以及態度，而分為堅持CSMA協議和非堅持CSMA協議。并且考慮到堅持CSMA協議在實際工作中的表現相對而言更加利于通信資源的利用，因此對其展開更深一步的研究，依據其在工作過程中，當發現信道空閑時所展開不同的處理方式，分為1堅持CSMA和p堅持CSMA兩種，并且當前以p堅持CSMA成為廣泛使用的CSMA協議。

從工作職能實現的角度看，堅持以及非堅持的CSMA協議在工作過程中的主要區別依據，在于堅持CSMA協議在監聽信道繁忙占用的時候仍然會繼續監聽信道，一直到確定信道空閑才會展開對應的下一步動作；而非堅持CSMA協議則在發現信道繁忙的時候，則等待隨機時間段之后重新監聽信道，等待過程中不在監聽。因此相比之下，堅持CSMA協議會表現得更有效率。而在堅持CSMA協議體系之下的兩種協議細分，1堅持CSMA協議在于一旦發現信道空閑就立即展開數據發送的工作；而p堅持CSMA協議則是在監聽到信道空閑的時候，以概率p展開數據發送工作。p堅持的CSMA協議也可以不采用以發送概率控制節點的發送，而是采用隨機退避的方法，當監聽到信道空閑的時候，在允許的取值區間內選擇隨機事件長度進行退避，聽楊能過實現避免沖突的效果。

p堅持CSMA協議作為該協議簇中的重要成員，已經在應用領域獲得了廣泛認可，就目前的情況看，如何選擇最優的概率p值，成為直接關系整個通信體系工作狀態和效率，以及用戶接入體驗的重要關鍵所在。Echelon公司的LonTalk協議采用了可預測的p堅持CSMA算法，實現依據網絡負載來動態調整p的取值，并且進一步確定隨機延遲時間，實現對于網絡環境的動態優化。基于該協議一貫以來的良好表現，在p的動態調整方面，諸多業內人士都給出了自己獨特的建議，并且為p的調整和網絡狀態的優化做出了不同程度的貢獻，切實推動了該領域的發展，以及CSMA協議的進化。

就目前而言，比較典型的p取值算法，為在發生第i次沖突重傳是發送概率pi，并且pi隨i的取值而發生變化，通過此種方式實現對于p的動態優化。通常而言是構造一個關于i的遞減函數，采用分時隙的介質訪問控制方法加以實現。

3 結論

對于CSMA協議而言，其存在對于推動整個網絡環境的優化都有積極價值，尤其是當前的p堅持CSMA協議更是成為發展的趨勢和整個行業的關注重點。實際工作中，只有深入了解CSMA協議運行機制，合理選擇相關算法與參數，才能切實打造適合需求環境的傳輸網絡。

[1]Bruno R,Conti M,Gregori E.Optimal Capacity of p-Persistent CSMA Protocols[J].IEEE Communications Letters,2003,7(3):139-141.

[2]Cali F,Conti M,Gregori E.Dynamic Tuning of the IEEE 802.11Protocol to Achieve a Theoretical Throughput Limit[J].IEEE/ACM Trans. on Networking,2000,8(6):785-799.