【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 單說(shuō)，就是每個(gè)幀攜帶發(fā)送站下一個(gè)幀將持續(xù)時(shí)間的信息，相關(guān)各站點(diǎn)根據(jù)這個(gè)信息對(duì)信道占用進(jìn)行預(yù)測(cè)。如果一個(gè)站點(diǎn)沒(méi)有聽到持續(xù)時(shí)間字段，比如偵聽載波時(shí)，幀的持續(xù)時(shí)間字段已經(jīng)傳過(guò)，站點(diǎn)只能依靠物理層檢測(cè)。虛擬載波偵聽利用網(wǎng)絡(luò)分配矢量（Network Allocation Vector, NAV）實(shí)現(xiàn)。NAV 是點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PCF） 分布式協(xié)調(diào)功能（ DCF）一個(gè)倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為 0 時(shí)，虛擬載波檢測(cè)就認(rèn)為介質(zhì)處于空閑。所以，虛擬載波檢測(cè)技術(shù)就是在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候以適當(dāng)?shù)闹翟O(shè)置和更新 NAV 計(jì)時(shí)器。載波偵聽機(jī)制融合了 NAV 的狀態(tài)和物理層信號(hào)偵聽的狀態(tài)來(lái)判定信道的忙閑。當(dāng)任何一個(gè)狀態(tài)表明信道是忙的話，那么載波偵聽機(jī)制就認(rèn)為信道忙；反之，兩個(gè)狀態(tài)都表明信道空閑的話，那么載波偵聽機(jī)制才認(rèn)為信道閑。（2）基本 CSMA/CA 協(xié)議CSMA/CA 協(xié)議是減少多個(gè)共享信道的站點(diǎn)間發(fā)生沖突的可能性的機(jī)制。由于載波偵聽功能的作用，在信道由忙變空閑的時(shí)刻，沖突發(fā)生的可能性最大，這是因?yàn)槎鄠€(gè)站點(diǎn)都可能在等待信道重新變得空閑。這就使得采用隨機(jī)退避過(guò)程從而解決信道競(jìng)爭(zhēng)沖突的機(jī)制成為必要。這個(gè)協(xié)議的基本思想如圖 23 所示。 圖 23 基本機(jī)制原理在每個(gè)幀間的時(shí)間空閑被稱為幀間間隔（IFS） 。一個(gè)共享信道的站點(diǎn)使用載波偵聽功能，并根據(jù)特定的時(shí)間間隔來(lái)決定信道是否空閑。IFS 時(shí)間被定義為信道上的時(shí)間間隔，而 IFS 的取值也由相對(duì)應(yīng)的物理層來(lái)決定。IEEE 定義了三種 IFS（實(shí)際上有第四種 EIFS，但我們?cè)诖瞬粚?duì)它作討論）——短幀間隔（ SIFS） ，PCF 幀間隔和 DCF 幀間隔，它們的長(zhǎng)度依次從短變長(zhǎng)。最短的 SIFS 是在控制幀發(fā)送之前的時(shí)間間隔，它能保證控制幀擁有最高的優(yōu)先級(jí)發(fā)送；PIFS 是 PCF 方式下 AP 輪詢幀發(fā)送之前的時(shí)間間隔，它保證了 AP 比其他站點(diǎn)有更高的優(yōu)先級(jí)；而 DIFS 是最長(zhǎng)的，它是信道空閑的一個(gè)判定標(biāo)志。（3）兩次握手和退避過(guò)程在 DCF 模式下，當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送前，它會(huì)首先偵聽信道。如果信道忙，它就會(huì)推遲傳輸直到信道變得空閑；空閑之后達(dá)到 DIFS 時(shí)間后，站點(diǎn)開始退避過(guò)程（backoff procedure） 。站點(diǎn)根據(jù)退避算法選擇一個(gè)退避時(shí)間，并設(shè)置一個(gè)退避時(shí)間計(jì)數(shù)器。當(dāng)信道是空閑的時(shí)候，計(jì)數(shù)器在每個(gè)時(shí)間片減 1。如果信道忙，那么計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器減少到零，站點(diǎn)馬上發(fā)送報(bào)文。當(dāng)發(fā)送報(bào)文后，源站點(diǎn)會(huì)等待從目的站點(diǎn)返回的 ACK 響應(yīng)。如果 ACK 在指定時(shí)間內(nèi)收到，那么就認(rèn)為報(bào)文被成功接收；如果沒(méi)有收到 ACK 報(bào)文，那么源站點(diǎn)就會(huì)返回退避過(guò)程并隨后嘗試重傳。（4）退避算法——二進(jìn)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(jī)整數(shù)。CW 是競(jìng)爭(zhēng)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(shí)間片。競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)重傳計(jì)數(shù)器會(huì)增加一，只要不大于最大重傳計(jì)數(shù)值，競(jìng)爭(zhēng)窗口就會(huì)在序列中取下一個(gè)值，直到達(dá)到最大值 CWmax。一旦它達(dá)到 CWmax，它會(huì)一直保持這個(gè)值除非它被重置。 CW值的序列是從 CWmin 到 CWmax 的一個(gè)二進(jìn)制指數(shù)增長(zhǎng)的數(shù)列減一，即： (22)()BackofTimeRandoSltTime??21nCW??整個(gè)算法稱為二進(jìn)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)比較難以解決的一個(gè)問(wèn)題是隱藏工作站問(wèn)題(即發(fā)送站檢測(cè)不到另一個(gè)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(hào)傳播范圍之內(nèi)，而工作站 C 在工作站 A 的信號(hào)傳播范圍之外。當(dāng)工作站 A 向工作站 B 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),而工作站 C 檢測(cè)不到工作站 A 發(fā)出的數(shù)據(jù)而認(rèn)為信道空閑也發(fā)送數(shù)據(jù)，這時(shí)在接收站 B 就發(fā)生了碰撞?！　榱私鉀Q這個(gè)問(wèn)題 IEEE 引入了 RTS/CTS 機(jī)制，在此機(jī)制下每個(gè)站在訪問(wèn)介質(zhì)時(shí)在競(jìng)爭(zhēng)窗口內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙，控制權(quán)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(fù) CTS 幀(Clear to send)，其他非 RTS 幀目的站的站點(diǎn)接收到 RTS 幀之后讀取其中的傳輸時(shí)間預(yù)留信息，也就是網(wǎng)絡(luò)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(luò)分配矢量并更新本地 NAV，這樣無(wú)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(zhì)忙閑狀況，解決了隱藏工作站問(wèn)題。R TS/CTS 機(jī)制對(duì)于帶寬效率的影響主要有以下幾個(gè)方面：①解決了隱藏工作點(diǎn)帶來(lái)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(zhǎng)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(yù)留空間傳輸時(shí)間可能引起的不必要帶寬開銷。這在下一章會(huì)詳細(xì)介紹。 PCF 接入方式PCF 是一種集中式的控制方法，在基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（infrastructure work）中，設(shè)置一個(gè)協(xié)調(diào)點(diǎn)采用輪詢機(jī)制控制所有站點(diǎn)對(duì)信道的訪問(wèn)。它保證了無(wú)沖突的服務(wù)，希望能更好的應(yīng)用于實(shí)時(shí)語(yǔ)音和圖像的傳輸。在 PCF 方式下，一個(gè)單獨(dú)的接入點(diǎn)（AP）控制了信道，在 AP 中存在一個(gè)點(diǎn)協(xié)調(diào)機(jī)制。當(dāng)系統(tǒng)處于 PCF 方式時(shí)， AP 會(huì)給每個(gè)需要發(fā)送的站點(diǎn)安排合適的時(shí)間片，保證了時(shí)延方面的要求。由于中心點(diǎn)協(xié)調(diào)機(jī)制的存在，PCF 一般能提供更低的時(shí)延，并能夠舍棄其他的沖突控制機(jī)制。一個(gè)站點(diǎn)要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，必須要得到 AP 的選擇和允許。因?yàn)槭褂昧烁呒?jí)的優(yōu)先接入，AP 總能發(fā)布選擇請(qǐng)求（Polling Request）給各個(gè)站點(diǎn)用以數(shù)據(jù)傳輸。但是，PCF 只能在有基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中使用，同時(shí) AP 的故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，所以給網(wǎng)絡(luò)的管理上增加了復(fù)雜度，應(yīng)用目前遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有 DCF 廣泛。在本文中不對(duì)PCF 方式進(jìn)行更多的討論和研究。 二進(jìn)制指數(shù)退避算法的不公平現(xiàn)象一個(gè)合理設(shè)計(jì)的信道接入?yún)f(xié)議應(yīng)該對(duì)共享信道的所有站點(diǎn)提供公平的接入服務(wù)，或者說(shuō)，盡量對(duì)絕大多數(shù)站點(diǎn)提供比較公平的服務(wù)。在 CSMA/CA 協(xié)議中，為了避免周期性的重復(fù)碰撞，在一次碰撞過(guò)后，所有站點(diǎn)都會(huì)推遲一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間后再次競(jìng)爭(zhēng)信道。這個(gè)隨機(jī)的時(shí)間稱為退避時(shí)間。退避時(shí)間直接決定了一個(gè)站點(diǎn)得到信道的可能性——退避時(shí)間越短，競(jìng)爭(zhēng)到信道的可能性越大。所以，一個(gè)不合理設(shè)計(jì)的退避算法就可能導(dǎo)致信道接入的不公平性[12] 。在一次成功的發(fā)送之后，競(jìng)爭(zhēng)窗口會(huì)立刻回到初始大小。所以，在下一輪競(jìng)爭(zhēng)中，這些剛剛成功發(fā)送了的站點(diǎn)會(huì)有更大的機(jī)會(huì)獲得較短的退避時(shí)間，從而有更大的可能競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)制指數(shù)退避（BEB）算法的思想。整個(gè)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(jī)整數(shù)。CW 是競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)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(dǎo)致發(fā)送站點(diǎn)重傳計(jì)數(shù)器增加之后，在序列（CW=2n1）中取下一個(gè)值，直到達(dá)到最大值 CWmax。一旦它達(dá)到 CWmax，只要重傳次數(shù)不大于最大重傳次數(shù)，它會(huì)一直保持這個(gè)值除非它被重置為 CWmin。也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)幀的發(fā)送過(guò)程，在各個(gè)狀態(tài)中轉(zhuǎn)換。回退狀態(tài)越高，CW 值越大，因此，節(jié)點(diǎn)發(fā)送的可能性越小。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A 有一幀要發(fā)送，它就執(zhí)行回退過(guò)程，再嘗試發(fā)送。結(jié)果可能成功或者失敗。如成功，下一幀就執(zhí)行同樣過(guò)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(diǎn) A 在狀態(tài) K 時(shí)，發(fā)送了一幀后，如成功，則 CW 重新設(shè)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(gè)狀態(tài)，m 是最大回退狀態(tài)。一旦 CW 達(dá)到 CWmax，只要 i 不大于最大重傳次數(shù) 16，它會(huì)一直保持這個(gè)值除非它被重置為 CWmin?？梢钥闯?，在對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口（CW）的調(diào)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(wú)視當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況的算法會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的低下。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很小時(shí)，大的競(jìng)爭(zhēng)窗口可能會(huì)導(dǎo)致信道不必要的空閑；相反，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很大時(shí)，小的競(jìng)爭(zhēng)窗口可能會(huì)導(dǎo)致更多的沖突和退避。在這兩種情況下，信道都沒(méi)有得到充分有效的利用。 兩種工作方式的對(duì)比和局限性DCF 機(jī)制作為 IEEE 無(wú)線局域網(wǎng)基本的訪問(wèn)機(jī)制，大多數(shù)商業(yè)產(chǎn)品都支持這種機(jī)制。這種機(jī)制支持異步數(shù)據(jù)傳輸，在低負(fù)載環(huán)境下運(yùn)行較好，而時(shí)間限制的服務(wù)，如VOPI 電話、視頻會(huì)議需要特定的帶寬、延遲和抖動(dòng)。DCF 機(jī)制也僅僅支持盡力而為的服務(wù)，沒(méi)有基于數(shù)據(jù)流的區(qū)分和優(yōu)先級(jí)的規(guī)定，不適合實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，但無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，比如 RTS/CTS，分段/重組[17] 等等一定程度上進(jìn)行了性能的彌補(bǔ)。PCF 機(jī)制在 IEEE 無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議中是一種可選的機(jī)制，通過(guò)輪詢和應(yīng)答機(jī)制提供無(wú)競(jìng)爭(zhēng)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(jī)制適合特定延遲、抖動(dòng)要求的傳輸。PCF 中存在一些問(wèn)題:首先，中心輪詢的方案是有疑問(wèn)的，在同一 BSS 中兩個(gè)無(wú)線站點(diǎn)間所有的通信必須通過(guò) AP，這樣浪費(fèi)了信道帶寬，當(dāng)這種流量增加，許多信道資源被浪費(fèi)。其次，CP 與 CFP 合作模式導(dǎo)致不可預(yù)知的信標(biāo)延遲。另外，被輪詢無(wú)線站點(diǎn)的傳輸時(shí)間是難控制的，因?yàn)閭鬏數(shù)膸笮〔还潭?，引入了變化的傳輸時(shí)間，并且被輪詢站點(diǎn)的物理層速率根據(jù)變化的信道狀況而改變。針對(duì)己有的 IEEE 無(wú)線局域網(wǎng) MAC 層機(jī)制的局限性，需要引入具有 Qos 保證的 MAC 機(jī)制， IEEE 工作組就是為了保障無(wú)線局域網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量而設(shè)立。在已有的 DCF 機(jī)制上，再引入輪詢機(jī)制，把兩種機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，這是對(duì)已有的無(wú)線設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)的趨勢(shì)。 結(jié)論IEEE 的介質(zhì)訪問(wèn)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(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問(wèn)控制，以 CSMA/CA 為主，以 RTS/CTS 消息交換機(jī)制為輔。PCF 是靠網(wǎng)絡(luò)中心控制站(AP)實(shí)現(xiàn)中心控制方式。DCF 和 PCF 這兩種方式交替工作，通過(guò)不同幀間隔的優(yōu)先級(jí)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同類型幀的介質(zhì)訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)。由于無(wú)線環(huán)境難以檢測(cè)到?jīng)_突，IEEE 的沖突檢測(cè)由物理層的載波沖突檢測(cè)和介質(zhì)訪問(wèn)控制層 (MAC)的虛擬載波監(jiān)聽實(shí)現(xiàn)。虛擬載波監(jiān)聽使用的是時(shí)間預(yù)留的方法預(yù)測(cè)信道的忙閑狀況。網(wǎng)絡(luò)在得知網(wǎng)絡(luò)忙閑信息后通過(guò)隨機(jī)退避算法減小沖突。3 IEEE 層性能分析近年來(lái)，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)種類也越來(lái)越多，尤其是多媒體業(yè)務(wù)，如視頻、音頻、圖像等，這些業(yè)務(wù)大多數(shù)是對(duì)延遲敏感的。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)相比，具有鏈路不穩(wěn)定、傳播速率低等固有的缺點(diǎn)，而且在 MAC層，所有處于同一通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都要共享信道資源，因此發(fā)生沖突的概率比較大，在競(jìng)爭(zhēng)信道的過(guò)程中可能會(huì)有較大的延遲，所以說(shuō) MAC 層的延遲是影響網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要因素。 MAC 協(xié)議的性能指標(biāo)一個(gè) MAC 協(xié)議在實(shí)用中是否可行，如何對(duì)其性能做出定量的估計(jì)？這些問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分重要。評(píng)價(jià) MAC 協(xié)議的性能指標(biāo)或設(shè)計(jì) MAC 協(xié)議需要的技術(shù)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(gè) MAC 協(xié)議的指標(biāo)：吞吐量(S)、總業(yè)務(wù)量(G)和幀平均傳輸時(shí)延(D) 。 吞吐量(S)當(dāng)信道上發(fā)生傳輸碰撞和傳輸錯(cuò)誤時(shí)，必然導(dǎo)致幀的丟失，這時(shí)信道時(shí)間被浪費(fèi)。很顯然，信道時(shí)間浪費(fèi)的程度，可以反映 MAC 層協(xié)議的優(yōu)劣。在單位時(shí)間內(nèi)在信道上成功傳輸?shù)男畔⒘糠Q為吞吐量。假設(shè)幀長(zhǎng)固定且長(zhǎng)度為 l 比特，且單位時(shí)間（以下設(shè)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(duì)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(shí)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(shí) ，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(wù)量(G)進(jìn)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(cuò)誤要求重傳的幀。信道上所有的站在單位時(shí)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(wù)量。顯然總業(yè)務(wù)量等于單位時(shí)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(duì)總業(yè)務(wù)量歸一化，歸一化的總業(yè)務(wù)量常用符號(hào) G 表示。對(duì)于 MAC 協(xié)議，吞吐量特性與總業(yè)務(wù)量密切相關(guān)，S 隨總業(yè)務(wù)量的變化特性稱為吞吐量性能。理想情