無線局域網退避算法的研究與改進

陸彩霞

（淮安信息職業技術學院,223003）

無線局域網退避算法的研究與改進

陸彩霞

（淮安信息職業技術學院,223003）

針對無線網絡在傳輸速率、覆蓋范圍及穩定性等方面的缺陷，本文從IEEE 802.11MAC協議的 CSMA/CA 機制出發，總結了傳統退避算法的優缺點，引入了一種新的退避算法，計算機仿真實驗表明，新算法能顯著提高網絡的吞吐量，優化無線網絡運行性能。

無線局域網；退避算法；網絡吞吐量；仿真

0 引言

隨著無線局域網絡的日益普及，如何提升其網路覆蓋率、穩定性及傳輸速率成為了人們關注的焦點，而在無線局域網運行過程中，IEEE 802.11MAC協議是影響無線網路性能和功能的關鍵，基于此本文從IEEE 802.11MAC協議的CSMA/CA 機制出發，引入了退避算法思想，分析了傳統退避算法的優缺點，并提出一種新的退避算法，有效區分網絡環境狀態，提升了網絡適用范圍和靈活性，優化了網絡性能。

圖1 CSMA/CA機制的避讓工作流程

1 無線網路CSMA/CA機制的退避原理

無線局域網技術的應用以IEEE802.11 標準為相關協議，采用DCF機制，該機制的工作原理是基于CSMA/CA（載波偵聽多址訪問與沖突避免），借助二進制指數退避算法來實現無線網絡中多節點信道數據傳輸的沖突問題，其工作流程如圖1.

2 無線局域網中傳統退避算法分析

2.1 BEB算法

BEB算法，也即上述CSMA/CA機制所采用的二進制指數退避算法，指在遇到重復沖突時，節點會通過對競爭值CW的2倍操作來進行再次傳輸，有利于負荷的平滑，但無法避免沖突。BEB算法的流程是：（1）進行避讓時間的確定，多為2t,（2）界定重復傳輸次數K，K=min(K≤10 )(3)從離散型整數集合[0，1，2，″″，(2^k－1)]中，隨機抽取一個數做R,重傳的避讓時間為：T=R×2τ，（4）重傳次數限定在16次，否則就丟棄該幀，將傳輸失敗報告給高層協議。

BEB算法存在不足，對網絡環境負載欠缺考慮，且數據傳輸處理方式上因對競爭窗口值的充值，產生CWmin最小值，并借此優勢持續占用信道，造成信道吞吐量降低和分配不均衡的現象。

2.2 MILD算法

MILD算法，指當節點發生傳輸沖突時，對競爭窗口值CW乘以相關系數操作，與BEB的差異在于不會將競爭窗口值直接重置為CWmin,而以線性遞減的方式實現對競爭窗口值相關系數的減除，從而減緩其下降速度，也使得該算法在網路高負載的狀態下具有更好的優勢性。

MILD算法的優缺點都集中在網絡負載重的情況下，競爭窗口值下降速率的減緩，但是若出現較少節點時，則靈活性不佳，存在分配不公平現象。

3 無線局域網退避算法的改進

根據上述算法的分析，改進的算法應該體現節點間的公平性，關鍵在于競爭窗口值的合理設定，由此，本文中新的退避算法，首先對競爭窗口值預先設定一個范圍[CWmin,CWmax]，且在該取值范圍內選取一個限制CWnet，以此作為網絡競爭激烈與否的判別門限值，當競爭窗口值高于CWnet時，則競爭較為激烈，相反則較為平緩，并據此采用不同避讓算法，實現網絡沖突平衡能力和吞吐量的優化。

新的退避算法改進如下分析：

首先，對競爭窗口值設定一個范圍[CWmin,CWmax]，且在該取值范圍內選取一個限制CWnet，當CW≤CWnet，競爭激烈，此時，數據傳輸發生沖突采用BEB退避算法以競爭窗口值的2倍作為新的競爭窗口值，就能夠表現出良好的實用性。且即使在競爭相對較平緩時，直接將競爭窗口值置為CWmin也是沒有必要的，由此將其置為原競爭窗口值CW的1/2即可，既有效控制了競爭窗口值的下降速度，也避免影響網絡吞吐量。

圖2 新的退避算法流程

其次，當CW ＞ CWnet 時，競爭較為激烈，也即網絡環境中的節點數較多，屬于高負載網絡，此種狀態下，若數據發送失敗，則對競爭窗口值 CW 進行乘以 2 的操作；而在發送成功時，則對競爭窗口值進行乘以 0.8 的操作，以此降低競爭窗口值下降速率，降低沖突發生率。

再次，確定不同網絡環境的退避方法之后，要設定CWnet值，結合新算法，可得出大致的區分網絡環境狀態的值，以此來劃分網絡狀態。一般在無線網絡中，多節點在進行數據傳輸時，可計算各節點的競爭窗口值，也即E[CW],當退避時間達到此值時，則網絡性能最優。

若網絡環境中，數據幀長度的分布概率為P，各節點特定，P值與時隙長度成倍數關系，由此，數幀長度i的概率為：

公式（3） 中的參數E[B]為節點數據傳送時發生沖突從而產生退避，該時間即為平均值，即為（4）同時，以此無沖突成功傳輸數據幀的時間：

由此可得無線網絡吞吐量為：

新退避算法的流程如圖2.

4 基于OPNET軟件的仿真與分析

為了有效驗證改進的退避算法的優勢性，本文以OPNET軟件來進行仿真實驗，采用兩種網絡模型，一種為5個節點，一種為10個節點，對比分析了改進算法和BEB在這兩種網絡模型中的吞吐量仿真結果，如圖3。圖中曲線new1 和new2分別表示采用新算法時5 個節點和10個節點下的吞吐量曲線； BEB1 和BEB2分別表示采用 BEB 算法時5個和10個節點下的吞吐量曲線。

圖3 改進算法吞吐量仿真圖

由圖可知，采用改進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，改進后的退避算法相比于BEB算法，對于網絡負荷程度逐漸加大的情況下，有著更好的緩解壓力作用。

5 結語

無線局域網中IEEE 802.11MAC 協議中，多節點之間的信道是通用的，發生沖突的概率極高需要有效避讓，而避讓時間是隨機的從競爭窗口中均勻選出，該窗口的大小是依據不同的退避算法計算得出的，但經實踐證明，傳統算法在重負載網絡環境下，無法保障公平性及較高的吞吐量，由此，本文改進了傳統算法，有效區分網絡環境狀態，提升了網絡適用范圍和靈活性。

[1]婁曉倩. 無線局域網MAC層協議技術及退避算法的研究[D].東北大學,2012.

[2]韓笑. 無線局域網退避算法的研究與改進[D].西安電子科技大學,2014.

[3]呂超,陳向東. 無線網絡預約退避算法的實現和分析[J]. 通信技術,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，現任淮安信息職業技術學院計算機與通信工程學院教師，主要研究方向計算機網絡技術與Linux。