【文章內(nèi)容簡介】 單說，就是每個幀攜帶發(fā)送站下一個幀將持續(xù)時間的信息，相關各站點根據(jù)這個信息對信道占用進行預測。如果一個站點沒有聽到持續(xù)時間字段，比如偵聽載波時，幀的持續(xù)時間字段已經(jīng)傳過，站點只能依靠物理層檢測。虛擬載波偵聽利用網(wǎng)絡分配矢量（Network Allocation Vector, NAV）實現(xiàn)。NAV 是點協(xié)調功能（PCF） 分布式協(xié)調功能（ DCF）一個倒計時計數(shù)器，當?shù)褂嫊r為 0 時，虛擬載波檢測就認為介質處于空閑。所以，虛擬載波檢測技術就是在適當?shù)臅r候以適當?shù)闹翟O置和更新 NAV 計時器。載波偵聽機制融合了 NAV 的狀態(tài)和物理層信號偵聽的狀態(tài)來判定信道的忙閑。當任何一個狀態(tài)表明信道是忙的話，那么載波偵聽機制就認為信道忙；反之，兩個狀態(tài)都表明信道空閑的話，那么載波偵聽機制才認為信道閑。（2）基本 CSMA/CA 協(xié)議CSMA/CA 協(xié)議是減少多個共享信道的站點間發(fā)生沖突的可能性的機制。由于載波偵聽功能的作用，在信道由忙變空閑的時刻，沖突發(fā)生的可能性最大，這是因為多個站點都可能在等待信道重新變得空閑。這就使得采用隨機退避過程從而解決信道競爭沖突的機制成為必要。這個協(xié)議的基本思想如圖 23 所示。 圖 23 基本機制原理在每個幀間的時間空閑被稱為幀間間隔（IFS） 。一個共享信道的站點使用載波偵聽功能，并根據(jù)特定的時間間隔來決定信道是否空閑。IFS 時間被定義為信道上的時間間隔，而 IFS 的取值也由相對應的物理層來決定。IEEE 定義了三種 IFS（實際上有第四種 EIFS，但我們在此不對它作討論）——短幀間隔（ SIFS） ，PCF 幀間隔和 DCF 幀間隔，它們的長度依次從短變長。最短的 SIFS 是在控制幀發(fā)送之前的時間間隔，它能保證控制幀擁有最高的優(yōu)先級發(fā)送；PIFS 是 PCF 方式下 AP 輪詢幀發(fā)送之前的時間間隔，它保證了 AP 比其他站點有更高的優(yōu)先級；而 DIFS 是最長的，它是信道空閑的一個判定標志。（3）兩次握手和退避過程在 DCF 模式下，當一個站點發(fā)送前，它會首先偵聽信道。如果信道忙，它就會推遲傳輸直到信道變得空閑；空閑之后達到 DIFS 時間后，站點開始退避過程（backoff procedure） 。站點根據(jù)退避算法選擇一個退避時間，并設置一個退避時間計數(shù)器。當信道是空閑的時候，計數(shù)器在每個時間片減 1。如果信道忙，那么計數(shù)器停止計數(shù)。當計數(shù)器減少到零，站點馬上發(fā)送報文。當發(fā)送報文后，源站點會等待從目的站點返回的 ACK 響應。如果 ACK 在指定時間內(nèi)收到，那么就認為報文被成功接收；如果沒有收到 ACK 報文，那么源站點就會返回退避過程并隨后嘗試重傳。（4）退避算法——二進制指數(shù)退避 MAC 層的退避算法由以下公式?jīng)Q定： (21)()BackofTimeRandoSltTime??其中 Random()表示從均勻分布的[0,CW]范圍中得到的偽隨機整數(shù)。CW 是競爭窗口的大小，在特定的物理層參數(shù) CWmin 和 CWmax 之間取值，即CWmin≤CW≤CWmax 。 aSlotTime 是根據(jù)物理層而定的單位時間片。競爭窗口（CW）參數(shù)初始值為 CWmin。在每次發(fā)送 MPDU 失敗之后，發(fā)送站點重傳計數(shù)器會增加一，只要不大于最大重傳計數(shù)值，競爭窗口就會在序列中取下一個值，直到達到最大值 CWmax。一旦它達到 CWmax，它會一直保持這個值除非它被重置。 CW值的序列是從 CWmin 到 CWmax 的一個二進制指數(shù)增長的數(shù)列減一，即： (22)()BackofTimeRandoSltTime??21nCW??整個算法稱為二進制指數(shù)退避（Binary Exponential Backoff, BEB）算法。（5）帶 RTS/CTS 功能的 CSMA/CA 協(xié)議無線網(wǎng)絡比較難以解決的一個問題是隱藏工作站問題(即發(fā)送站檢測不到另一個站也在發(fā)送數(shù)據(jù)，因而在接收站發(fā)生碰撞)。工作站 B 在工作站 A 和工作站 C 的信號傳播范圍之內(nèi)，而工作站 C 在工作站 A 的信號傳播范圍之外。當工作站 A 向工作站 B 發(fā)送數(shù)據(jù)時,而工作站 C 檢測不到工作站 A 發(fā)出的數(shù)據(jù)而認為信道空閑也發(fā)送數(shù)據(jù)，這時在接收站 B 就發(fā)生了碰撞。　　為了解決這個問題 IEEE 引入了 RTS/CTS 機制，在此機制下每個站在訪問介質時在競爭窗口內(nèi)隨機選擇一個時隙，控制權的站并不是直接發(fā)送數(shù)據(jù)分組而是向接收站發(fā)送 RTS 幀(Ready to send)，接收站回復 CTS 幀(Clear to send)，其他非 RTS 幀目的站的站點接收到 RTS 幀之后讀取其中的傳輸時間預留信息，也就是網(wǎng)絡分配矢量 NAV，并據(jù)此更新本地 NAV。收到 CTS 幀的非CTS 幀目的站也同樣讀取其中的網(wǎng)絡分配矢量并更新本地 NAV，這樣無論是位于發(fā)送站傳輸范圍的站還是位于接收站傳輸范圍的站都能了解介質忙閑狀況，解決了隱藏工作站問題。R TS/CTS 機制對于帶寬效率的影響主要有以下幾個方面：①解決了隱藏工作點帶來的沖突，提高了帶寬利用率。②利用短控制幀(RTS or CTS)的沖突代替長數(shù)據(jù)幀的沖突，提高了帶寬的利用率。③增加的控制幀增加帶寬開銷。④預留空間傳輸時間可能引起的不必要帶寬開銷。這在下一章會詳細介紹。 PCF 接入方式PCF 是一種集中式的控制方法，在基礎設施架構網(wǎng)絡（infrastructure work）中，設置一個協(xié)調點采用輪詢機制控制所有站點對信道的訪問。它保證了無沖突的服務，希望能更好的應用于實時語音和圖像的傳輸。在 PCF 方式下，一個單獨的接入點（AP）控制了信道，在 AP 中存在一個點協(xié)調機制。當系統(tǒng)處于 PCF 方式時， AP 會給每個需要發(fā)送的站點安排合適的時間片，保證了時延方面的要求。由于中心點協(xié)調機制的存在，PCF 一般能提供更低的時延，并能夠舍棄其他的沖突控制機制。一個站點要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，必須要得到 AP 的選擇和允許。因為使用了更高級的優(yōu)先接入，AP 總能發(fā)布選擇請求（Polling Request）給各個站點用以數(shù)據(jù)傳輸。但是，PCF 只能在有基礎設施架構網(wǎng)絡中使用，同時 AP 的故障會導致整個網(wǎng)絡的癱瘓，所以給網(wǎng)絡的管理上增加了復雜度，應用目前遠遠沒有 DCF 廣泛。在本文中不對PCF 方式進行更多的討論和研究。 二進制指數(shù)退避算法的不公平現(xiàn)象一個合理設計的信道接入?yún)f(xié)議應該對共享信道的所有站點提供公平的接入服務，或者說，盡量對絕大多數(shù)站點提供比較公平的服務。在 CSMA/CA 協(xié)議中，為了避免周期性的重復碰撞，在一次碰撞過后，所有站點都會推遲一個隨機的時間后再次競爭信道。這個隨機的時間稱為退避時間。退避時間直接決定了一個站點得到信道的可能性——退避時間越短，競爭到信道的可能性越大。所以，一個不合理設計的退避算法就可能導致信道接入的不公平性[12] 。在一次成功的發(fā)送之后，競爭窗口會立刻回到初始大小。所以，在下一輪競爭中，這些剛剛成功發(fā)送了的站點會有更大的機會獲得較短的退避時間，從而有更大的可能競爭到信道。這樣，不公平現(xiàn)象就發(fā)生了。在 小節(jié)中分析了二進制指數(shù)退避（BEB）算法的思想。整個算法基于公式(21)，其中 Random()表示從均勻分布的[0,CW]范圍中得到的偽隨機整數(shù)。CW 是競爭窗口的大小，在特定的物理層參數(shù) CWmin 和 CWmax 之間取值，即 CWmin≤CW≤CWmax 。競爭窗口（CW ）參數(shù)初始值為 CWmin，并在每次不成功的發(fā)送 MPDU 從而導致發(fā)送站點重傳計數(shù)器增加之后，在序列（CW=2n1）中取下一個值，直到達到最大值 CWmax。一旦它達到 CWmax，只要重傳次數(shù)不大于最大重傳次數(shù)，它會一直保持這個值除非它被重置為 CWmin。也就是說，數(shù)據(jù)幀的發(fā)送過程，在各個狀態(tài)中轉換?；赝藸顟B(tài)越高，CW 值越大，因此，節(jié)點發(fā)送的可能性越小。當節(jié)點A 有一幀要發(fā)送，它就執(zhí)行回退過程，再嘗試發(fā)送。結果可能成功或者失敗。如成功，下一幀就執(zhí)行同樣過程；如失敗，則選擇更高狀態(tài)，再次嘗試發(fā)送。其中，狀態(tài) K 值在[0,…m]內(nèi)選擇， m 是最大回退狀態(tài)，CW0=CWmin,CWm=CWmax。節(jié)點 A 在狀態(tài) K 時，發(fā)送了一幀后，如成功，則 CW 重新設置為 CWmin；如失敗，而且重傳次數(shù)小于最大重傳次數(shù)，就選擇 min(k+1,m)作為下一個狀態(tài)，m 是最大回退狀態(tài)。一旦 CW 達到 CWmax，只要 i 不大于最大重傳次數(shù) 16，它會一直保持這個值除非它被重置為 CWmin?？梢钥闯觯趯Ω偁幋翱冢–W）的調整上，BEB 算法在任何情況下都采用了相同的處理方式——發(fā)送成功就返回到初始值 CWmin，發(fā)送失敗就加倍直到最大值為止。這種無視當前網(wǎng)絡實際情況的算法會導致網(wǎng)絡性能的低下。當網(wǎng)絡負載很小時，大的競爭窗口可能會導致信道不必要的空閑；相反，當網(wǎng)絡負載很大時，小的競爭窗口可能會導致更多的沖突和退避。在這兩種情況下，信道都沒有得到充分有效的利用。 兩種工作方式的對比和局限性DCF 機制作為 IEEE 無線局域網(wǎng)基本的訪問機制，大多數(shù)商業(yè)產(chǎn)品都支持這種機制。這種機制支持異步數(shù)據(jù)傳輸，在低負載環(huán)境下運行較好，而時間限制的服務，如VOPI 電話、視頻會議需要特定的帶寬、延遲和抖動。DCF 機制也僅僅支持盡力而為的服務，沒有基于數(shù)據(jù)流的區(qū)分和優(yōu)先級的規(guī)定，不適合實時業(yè)務，但無線網(wǎng)絡中的一些關鍵技術，比如 RTS/CTS，分段/重組[17] 等等一定程度上進行了性能的彌補。PCF 機制在 IEEE 無線局域網(wǎng)協(xié)議中是一種可選的機制，通過輪詢和應答機制提供無競爭的傳輸，在某種程度上這種方式類似于令牌網(wǎng)，控制器控制著令牌，使得這一機制適合特定延遲、抖動要求的傳輸。PCF 中存在一些問題:首先，中心輪詢的方案是有疑問的，在同一 BSS 中兩個無線站點間所有的通信必須通過 AP，這樣浪費了信道帶寬，當這種流量增加，許多信道資源被浪費。其次，CP 與 CFP 合作模式導致不可預知的信標延遲。另外，被輪詢無線站點的傳輸時間是難控制的，因為傳輸?shù)膸笮〔还潭?，引入了變化的傳輸時間，并且被輪詢站點的物理層速率根據(jù)變化的信道狀況而改變。針對己有的 IEEE 無線局域網(wǎng) MAC 層機制的局限性，需要引入具有 Qos 保證的 MAC 機制， IEEE 工作組就是為了保障無線局域網(wǎng)的服務質量而設立。在已有的 DCF 機制上，再引入輪詢機制，把兩種機制的優(yōu)點進行結合，這是對已有的無線設備進行改進的趨勢。 結論IEEE 的介質訪問控制主要有兩種工作方式：DCF 和 PCF。DCF 是以分布式控制方式實現(xiàn)介質訪問控制，以 CSMA/CA 為主，以 RTS/CTS 消息交換機制為輔。PCF 是靠網(wǎng)絡中心控制站(AP)實現(xiàn)中心控制方式。DCF 和 PCF 這兩種方式交替工作，通過不同幀間隔的優(yōu)先級機制，實現(xiàn)不同類型幀的介質訪問優(yōu)先級。由于無線環(huán)境難以檢測到?jīng)_突，IEEE 的沖突檢測由物理層的載波沖突檢測和介質訪問控制層 (MAC)的虛擬載波監(jiān)聽實現(xiàn)。虛擬載波監(jiān)聽使用的是時間預留的方法預測信道的忙閑狀況。網(wǎng)絡在得知網(wǎng)絡忙閑信息后通過隨機退避算法減小沖突。3 IEEE 層性能分析近年來，隨著無線網(wǎng)絡的應用越來越廣泛，在無線網(wǎng)絡中傳輸?shù)臉I(yè)務種類也越來越多，尤其是多媒體業(yè)務，如視頻、音頻、圖像等，這些業(yè)務大多數(shù)是對延遲敏感的。由于無線網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡相比，具有鏈路不穩(wěn)定、傳播速率低等固有的缺點，而且在 MAC層，所有處于同一通信范圍內(nèi)的節(jié)點都要共享信道資源，因此發(fā)生沖突的概率比較大，在競爭信道的過程中可能會有較大的延遲，所以說 MAC 層的延遲是影響網(wǎng)絡性能的一個重要因素。 MAC 協(xié)議的性能指標一個 MAC 協(xié)議在實用中是否可行，如何對其性能做出定量的估計？這些問題對系統(tǒng)設計十分重要。評價 MAC 協(xié)議的性能指標或設計 MAC 協(xié)議需要的技術要求主要有吞吐量、延遲、公平性和穩(wěn)定性[15]等。下面主要介紹幾個 MAC 協(xié)議的指標：吞吐量(S)、總業(yè)務量(G)和幀平均傳輸時延(D) 。 吞吐量(S)當信道上發(fā)生傳輸碰撞和傳輸錯誤時，必然導致幀的丟失，這時信道時間被浪費。很顯然，信道時間浪費的程度，可以反映 MAC 層協(xié)議的優(yōu)劣。在單位時間內(nèi)在信道上成功傳輸?shù)男畔⒘糠Q為吞吐量。假設幀長固定且長度為 l 比特，且單位時間（以下設為秒）內(nèi)成功傳輸?shù)膸瑪?shù)為 n，則吞吐量可表示為 nl(bps)（比特/ 秒） 。另外，也可以用信道傳輸速率 R(bps)對吞吐量歸一化，歸一化的吞吐量由 S 表示，即 。0?lSnTR? 式中 為每幀在信道上的發(fā)送時間。如果在信道上幀不發(fā)生碰撞，且?guī)g間隙為lTR?零的話，信道將被最大限度的使用，這時 ，即吞吐量 。相反，如果信道上所nlR?1有的幀均發(fā)生碰撞，即成功傳輸?shù)膸瑪?shù) n＝0 的話，吞吐量降到最小值 。0S? 總業(yè)務量(G)進入信道要求傳輸?shù)膸梢员环譃閮深?。一類是各站新產(chǎn)生的幀，另一類是由于碰撞或傳輸錯誤要求重傳的幀。信道上所有的站在單位時間內(nèi)所傳輸?shù)膸男畔⒘浚▎挝唬罕忍? 秒）稱為信道的總業(yè)務量。顯然總業(yè)務量等于單位時間內(nèi)新產(chǎn)生的幀的信息量與重傳幀的信息量之和。與吞吐量類似，也可以用信道傳輸速率對總業(yè)務量歸一化，歸一化的總業(yè)務量常用符號 G 表示。對于 MAC 協(xié)議，吞吐量特性與總業(yè)務量密切相關，S 隨總業(yè)務量的變化特性稱為吞吐量性能。理想情