802.11為IEEE（美國電氣和電子工程師協會，The Institute of Electrical and ElectrONics Engineers）于1997年公告的無線區域網路標準，適用于有線站臺與無線用戶或無線用戶之間的溝通連結。IEEE 802.11 MAC的基本存取方式稱為 CSMA/CA （Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance），與以太網絡所用的CSMA/CD （Collision Detection）變成了碰撞防止（Collision Avoidance），這一字之差是很大的。因為在無線傳輸中感測載波及碰撞偵測都是不可靠的，感測載波有困難。另外通常無線電波經天線送出去時，自己是無法監視到的，因此碰撞偵測實質上也做不到。在802.11中感測載波是由兩種方式來達成，第一是實際去聽是否有電波在傳，及加上優先權的觀念。另一個是虛擬的感測載波，告知大家待會有多久的時間我們要傳東西，以防止碰撞。

DCF協議基于載波監聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）機制實現有競爭的信道共享，在幀傳輸后，如果在規定的時間內沒有收到MAC層的確認幀ACK,則認為該幀丟失或發生了沖突，該幀會按照二進制指數退避算法進行退避、重傳，以避免再次發生沖突。本文使用OPNET軟件對802.11DCF的基本退避機制進行建模仿真，針對業務量增多時出現的服務質量下降問題，對DCF的競爭窗口值和退避指數進行改進，從而加快分解沖突的速度，提高系統的吞吐量和延遲性能。

1 DCF的二進制指數退避規則分析

802.11的CSMA/CA協議采用離散時間（Discrete-time）退避算法，退避的最小時間間隔為一個時隙時間（Slot Time）Δt.Δt=傳播時延（propagation delay）+收發機收/發轉換時間+PHY層向MAC層指示信道狀態的的時間。通常Δt為十至幾十微秒。

CSMA/CA采用的二進制指數退避算法是指：當終端檢測到信道空閑時間≥DIFS或發生了碰撞時，會首先按照均勻分布規則，從[0,CW-1]中選取一個值作為退避計數器的初始值，此后每當站點檢測到信道空閑時間≥DIFS,則退避計數器減1;若站點檢測到信道忙或空閑時間

這種退避算法的好處在于：從網絡角度來看，在某一空閑時隙有多個節點同時發送的概率減小了，從而在一定程度上降低了沖突概率，上次競爭不到媒體的站將以越來越短的退避時間進入下次競爭，避免出現永遠競爭不到媒體的情況。然而，隨著工作站點數目的增多，發生沖突的概率仍將會增大，由于每次重傳失敗后，站點的競爭窗口都會增大一倍，其目的是為了減少再次發生沖突的概率，但同時也極大地降低了該站點競爭到信道的概率，而對于成功傳輸的站點總有較大的概率再次競爭到信道，這種現象對于連續遭遇沖突的站點來講是不公平的，系統的吞吐量和延遲性能都將會受到影響[5].

2 改進的方法

在802.11MAC協議中，影響網絡吞吐量和延遲性能的主要因素是分組沖突和每個競爭周期內由于退避浪費的空閑時隙。當工作站點增多時，由于很多站點的初始競爭窗口很小，因此有很多的發送嘗試很可能會發生沖突，這就緩解了分解沖突的速度[6].基于以上考慮，改進的方法通過以下兩個手段來加快分解沖突的速度，提高競爭信道的公平性。

（1）增加最小競爭窗口值，對于基本訪問機制，吞吐量隨著退避窗口大小的增加而增加（CWmin≤64）[4].當CWmin>64時，吞吐量隨著退避窗口大小的增加而急劇減少。因此，將最小競爭窗口值設為64.

（2）當重傳后的競爭窗口值超過最大競爭窗口值時，則將站點的競爭窗口恢復為最小競爭窗口。

在改進的算法中，站點將擁有較大的初始競爭窗口，以解決站點數目增多時沖突概率增大的問題。此外，當一個站點遭遇連續多次沖突后，將其競爭窗口迅速減小，以增加其成功競爭信道的概率，提高系統的公平性。

3 兩種方法的性能仿真及對比

使用OPNET軟件對基本的退避算法和改進的退避算法進行仿真，仿真步驟如下：

（1）建立一個基本的Adhoc網絡模型，如圖2所示，隨機分布80個無線工作站，所有工作站點工作于DCF方式，范圍設為office,大小設為100 m×100 m.

（2）配置業務參數。OPNET提供了ON-OFF的建模機制，在ON期間生成數據包，每個包的大小和包間隔可以按照某種分布函數來確定，在OFF期間不發送數據包。按照表1設置網絡的業務參數。

（3）配置802.11MAC的輸入接口參數，如表2所示。

RTS門限決定某個數據幀的傳輸是否要啟動RTS/CTS協議會話，如果從高層接收到的分組（也稱為MAC服務數據單元MSDU）大于RTS門限，為了增加傳輸效率（對于大分組額外開銷資源預留帶寬而增加這次發送成功的概率是值得的），則啟動RTS/CTS協議會話。由于RTS/CTS協議會話是協議非強制的功能，因此該項默認值為None,意味著不管MSDU多大也不啟用該功能。

拆分門限決定高層數據包（MSDU）是否需要拆分，該項默認值同樣為None,意味不管MSDU多大也不進行拆分。

（4）收集統計量，需要收集的統計量有吞吐量（throughput）和時延（delay）。

（5）設置仿真參數，仿真運行時間為3 min,隨機數為128.

（6）復制一個與上述網絡模型完全一樣的場景。在新的場景里，按照改進的退避方法進行相應設置，其他設置保持一樣。分別對兩個場景運行仿真，仿真結果如圖3、圖4所示，其中橫坐標均為時間，單位為min.

由以上仿真曲線圖可以看出，使用改進方法后，網絡的吞吐量有了一定提高，延遲性能也得到了改善。

通過分析DCF方式下工作站點增多時出現信道競爭不公平性現象的原因，對競爭窗口的初始值進行了調整，給各站點以較大的最小競爭窗口值，提高了沖突分解速度。同時改進了站點遭遇連續沖突時的處理方法，提高了此類站點競爭到信道的概率。最終的實驗結果表明，改進后的DCF工作方式下的網絡吞吐量和延遲性能均得到了改善。