无线局域网MAC层协议技术及退避算法

彭璟云　彭艺　常虹

摘要：无线局域网是使用最广泛的通信技术之一，不需要铺设线缆，具有可移动性。通过分析MAC层协议技术对无线局域网数据传输效率的影响，探讨提高无线局域网数据传输效率的途径。阐述了MAC层协议技术和退避算法，包括MAC层的组成结构、协议内容以及DFC和CSMA/CA协议的工作原理。通过对传统退避算法进行改进，提高了无线局域网的信道利用效率，进而提升了数据传输速率。MAC层协议技术对无线局域网的数据传输效率有直接影响，通过对其碰撞检测和退避算法进行优化，能有效提升无线局域网的数据传输效率。

关键词：无线局域网；MAC层；DCF协议技术；CSMA/CA协议技术；退避算法

DOIDOI：10.11907/rjdk.172478

中图分类号：TP312

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）003008403

英文摘要Abstract：Wireless LAN is one of the most widely used communication technologies in life， without the need for laying cables， with mobility. The purpose of this paper is to analyze the influence of MAC layer protocol technology on the data transmission efficiency of wireless LAN， and to explore the feasible way to improve the data transmission efficiency of wireless LAN. Methods： Emphasis is placed on the MAC layer protocol and backoff algorithms， including the composition of the MAC layer， the contents of the protocol， and the working principle of the DFC and CSMA/CA protocols. Results： By improving the traditional backoff algorithm， the channel utilization efficiency of wireless LAN is improved， and the data transmission rate is improved. Conclusion： MAC layer protocol technology has a direct impact on the data transmission efficiency of wireless LAN. By optimizing its collision detection and backoff algorithm， the data transmission efficiency of wireless LAN is improved effectively.

英文關键词Key Words：wireless LAN； MAC layer； DCF protocol technology； CSMA/CA protocol technology； backoff algorithm

0引言

无线局域网是以无线通信技术为基础建立的小范围计算机通信网络，可接入手机、打印机等移动设备，应用广泛。无线局域网的覆盖范围一般在几十到二三百米之间，可通过功率放大器增加其覆盖范围。MAC层协议是无线局域网实现的基础，提供访问控制功能，通过载波监听和碰撞检测功能为数据传输质量提供保障。

1无线局域网组成结构及协议体系

1.1无线局域网组成结构

无线局域网通过红外线或无线电波等传输媒介，实现局域数据信息传输，其组成结构主要分为单小区（BSA）、多小区（ESA）两种形式。连接到局域网中的设备是组成局域网的站，除了AP站外，其它为用户站，包括计算机、智能手机、打印机等。按其移动性可将各种站划分为3类：①移动站，经常在移动中处于开机使用状态的设备；②半移动站，经常处于移动状态，但不在移动中使用的设备；③固定站，在固定地点使用的设备。各种设备通过无线接入点AP站接入无线局域网中，组成无线局域网环境。单小区网络是一个基本服务区，组成基本服务集（BSS），多个BSA则构成扩展服务区（ESA），ESA组成扩展服务集（ESS）[1]。

1.2传输媒体及协议体系

目前国内使用的无线局域网协议体系是IEEE802.11系列协议，主要对MAC层和PHY层进行控制。PHY即无线局域网的物理通信层，该层协议支持两种无线媒体，分别是红外线媒体和无线电波媒体。红外线媒体只支持视距传播，穿透力差，但使用红外线传输不需要获得无线电管理部门许可。红外线传输媒体分为DF/IR和DB/IR两种方式。DF/IR即散射波束红外线，采用多个发光管作为发射器，多个检测管作为接收器，覆盖范围为不定向的圆形区域。DB/IR即指向波束红外线，一般为点到点的通信信号中继使用，其中继距离可达50m。无线电波媒体则分为窄带调制方式和扩展频谱方式。采用窄带调制方式的传输速率可达10Mb/s，传输距离100m。扩展频谱方式分为DS、FH、TH及混合扩展频谱等多种方式。IEEE802.11协议体系推荐2.4GHz的ISM波段，并对DS和FH扩展频谱方式进行了详细规定[2]。

2无线局域网MAC层协议技术

2.1MAC帧

信息数据在无线局域网的MAC层以MAC帧的方式进行传输。在IEEE802.11协议体系中定义了MAC帧的结构形式，将MAC帧分为3种类型，分别是数据信息帧、管理信息帧和控制信息帧。MAC帧的主体结构由帧适配头、帧体信息和帧校验序列组成，支持MAC层的无线媒体访问控制、网络连接和数据验证、保密功能。在帧控制字段中，记录发送控制信息。序列控制字段记载分段号信息，在数据接收时可以根据该字段信息判断MAC帧是否重复。帧体字段是所要发送的信息，长度可变，如果不需要发送信息，长度可以为0[3]。不同的MAC帧具有不同的格式和作用，具体如下：

（1）MAC数据信息帧，向工作站传输信息数据是数据信息帧的主要工作，在传输过程中其地址域主要依赖于From DS与To DS数据位的具体值。通常情况下，Add1能够始终保持接受信息帧的状态，而Add2则始终保持发送数据帧的状态。

（2）MAC管理信息帧，以竞争时期为例，设置管理信息帧的时间，其内容为：①当目标地址为广播或者组播地址时，时间段设为0；②目标为独立地址时，持续时间应等于发送短帧与响应的时间之和[4]；③当更多的分段值为1、且目标是单独地址时，发送字段值应等于下一段ACK值与3个短帧的和。

（3）MAC控制信息帧，建立认证及通讯以后，MAC控制信息帧是数据信息帧的辅助，主要包括RTS控制帧、CTS控制帧、ACK控制帧、PSPoll控制帧、CFEnd控制帧以及CFEnd+CFACK控制帧6种类型[5]。

2.2DCF协议技术

在IEEE 802.11标准规定中，DCF是无线局域网的访问点与工作站之间的共享控制协议，类似于以太网中的CSMA/CD/MAC协议。IEEE 802.11标准中DCF运用碰撞避免功能，能够侦听到多地址接入情况。MAC控制机制运用保留在持续时间段中的信息，实现对多址的虚拟检测，同时将信息传递给工作站。MAC在工作状态相当于一个时间计数器，将开始值作为发送帧的字段值，最后倒计时为0，同时，PHY的侦听信道中不含有载波，从而实现MAC帧的发送[6]。

CSMA协议称为多址接入协议，是一种比较随机的竞争协议，分为以下几种类型：①1坚持式CSMA。如果一个站要求发送数据帧，此时便会检测、启动信道，在信道空闲的状态下完成数据帧的发送。如果信道忙碌，便会坚持发送请求，直至信道空闲；②P坚持式CSMA。此种协议与1坚持式CSMA的不同之处在于检测信道的空闲程度，以概率P为标准，当概率符合发送条件时完成发送请求，而不符合时同样会坚持到符合为止[7]；③非坚持式CSMA。与1坚持式CSMA相比，差别在于当信道处于忙碌状态时，发送请求会退回而不是坚持等待，然后随机选择时间完成发送。在非坚持CSMA协议中，如果有多个待发送的数据帧，便会同时退回。由于站的选择使得发送时间不同，因此最早发现信道空闲的数据帧能够优先完成发送，避免了数据帧发生碰撞。需要说明的是，如果非坚持CSMA的总业务量较大，吞吐量就会提高，就会依靠牺牲数据帧的方式换来传输量的提高[8]。

2.3CSMA/CA协议技术

CSMA/CA协议是具有碰撞避免功能的协议。实际上它也不能做到碰撞的绝对避免，只不过是综合前述CSMA的各种优点，尽量减少碰撞的概率，获得比较理想的吞吐量及传输延迟。碰撞避免有3种途径：①当系统中的总业务量很低时以1坚持式方式工作，尽量减小传输延迟，而在系统中的总业务量较高时以1坚持式或非坚持式方式工作，尽量获得较大的吞吐量[9]；②在非坚持式方式工作时，可以将系统中的站或各个站发送的不同类型信息进行分类，并给予不同的优先级别。当检测到信道忙碌时，以不同优先级别的站或不同优先级别的信息数据帧来确定其退避延迟时间的大小，达到改善系统性能的目的；③可以通过发送探询脉冲（或短的探询顿）的方式获取信道使用权，以减小数据帧碰撞的概率。由于探询脉冲占时很短，即使碰撞，造成的信道资源浪费也很小[10]。

3退避算法及改进

3.1传统退避算法

无线局域网的MAC层协议具有碰撞退避功能。当局域网中的站点发送MAC帧时，先对信道进行监听，如果信道空闲，则发送帧，如果信道非空闲，则暂停发送，直到监听到信道空闲后，再进行发送。

传统退避算法主要包括：

（1）二进制指数退避算法（BEB）。采用该算法，当监听到信道非空闲时，为避免碰撞，给站点附加一个退避周期，并随机产生一个退避时间，每次站点发送信息失败，BOW都会增加一倍，当BOW达到最大值后或最大重传次数后，重置BOW退避窗口，并进行连续重传。

（2）指数增长及下降退避算法（EIED）。通过对退避窗口BOW进行调整，对BEB退避算法加以改进，可以弥补其重置机制的不合理性。该算法引入两个新的参数，即上升参数和下降参数。如果发送MAC帧时遇到碰撞，则按照上升参数成倍增加BOW。如果传输成功，则按下降参数成倍减少BOW。通过采用这种机制，可以使退避算法的参数根据无线局域网的载荷量进行调整，减少MAC帧的等待时间，减少资源浪费。

3.2改进退避算法

基于公平性区分站点对传统退避算法进行改进，可以进一步提升退避算法性能。传统退避算法采用统一标准改变退避窗口，对所有站点而言存在一定的不公平性，比如多个站点争抢信道。在竞争过程中，参与竞争的站点退避窗口不断变大，而此时出现新的站点参与竞争，则新出现的站点退避窗口为最小值，获得信道使用权的概率要比之前参与竞争的站点大很多。基于公平区分站点的原则，对传统退避算法进行改进，可以有效解决这一问题。改进算法中，所有经过碰撞的MAC帧都倍乘一个参数快速增加退避窗口，其它站点则通过线性增加一个参数缓慢增加退避窗口。如果MAC发送成功，则通过线性减少一个参数缓慢减小退避窗口，其它站点则倍乘一个参数快速减少退避窗口。通过倍增、线加、倍减、线减4个参数的引入，实现对退避窗口增加、减小速度的控制。采用改进退避算法可以兼顾网络负载变化和信道公平竞争原则，改善DCF协议技术的吞吐量和延迟，提高无线局域网的数据传输性能。

4结语

MAC层的协议技术及退避算法对无线局域网的传输性能有重要影响。通过MAC层协议技术的应用，可以为MAC层的数据传输效率和数据传输安全提供保障，实现地址检测和载波监听等功能。在此基础上，通过对传统退避算法的改进，可以进一步提升无线局域网的数据传输性能。

参考文献参考文献：

[1]柳瑞芸.无线局域网MAC层协议研究及QoS性能分析[D].杭州：浙江工业大学，2013.

[2]刁小林.基于IEEE802.11n协议的无线局域网MAC层关键技术研究与实现[D].重庆：重庆大学，2008.

[3]李杰.无线局域网MAC协议性能分析与研究[D].杭州：浙江理工大学，2014.

[4]王亚军，宋杰，王传安.无线自组网MAC层协议典型的退避算法分析与仿真[J].宜春学院学报，2012（4）：3336.

[5]向侦林.IEEE802.11 MAC協议退避算法及帧聚合技术研究[D].成都：电子科技大学，2011.

[6]王俊杰.无线局域网接入机制的稳定性分析和优化[D].武汉：华中师范大学，2016.

[7]罗浪.无线局域网CSMA/CA协议的研究与实现[D].成都：成都理工大学，2016.

[8]王炼红.WLAN信道特性分析及信息传输技术方案优化的研究[D].长沙：湖南大学，2002.

[9]李丰.基于OPNET的无线局域网MAC层协议的仿真设计与研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007.

[10]李瑞芳.无线多媒体传感器网络MAC层关键技术研究[D].长沙：湖南大学，2011.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）