朱逢園 黨旺

摘要：隨者無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無線局城網(wǎng)憑借著靈活、力便等優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。本文以MATLAB軟件為主要開發(fā)工具，分析了MAC層的DCF訪問機(jī)制，在MATLAB平臺上實(shí)現(xiàn)IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中關(guān)鍵物理層技術(shù)和MAC層接入機(jī)制的性能仿真和驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng);MAC;DCF

中圖分類號：TN929?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）10-0039-01

1?序言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，MAC作為媒體訪問控制協(xié)議，其主要作用是控制每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)對信道的訪問，解決沖突，實(shí)現(xiàn)高效共享。近年來，許多研究者致力于IEEE802.11無線網(wǎng)絡(luò)性能的分析、研究和改進(jìn)，但大部分工作局限于無AP無線局域網(wǎng)的性能，能夠用于提高AP通信能力（通常稱為提高節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級）的研究很少，本文將系統(tǒng)研究無線網(wǎng)絡(luò)中常用的MAC層協(xié)議，并對其進(jìn)行仿真。

2?IEEE802.11 MAC接入控制協(xié)議概述

MAC層的功能主要由層協(xié)議來完成，層協(xié)議定義了訪問媒體的規(guī)則。層協(xié)議決定了網(wǎng)絡(luò)容量，系統(tǒng)頻率利用率、網(wǎng)絡(luò)性能等，以及無線媒體訪問控制的協(xié)調(diào)功能，包括分布式協(xié)調(diào)功能、協(xié)調(diào)功能、協(xié)調(diào)功能混合等[1]。

2.1 CSMA/CA載波偵聽機(jī)制

該技術(shù)是利用載波傳感技術(shù)來比較待測信號與參考點(diǎn)。如果信號強(qiáng)度低于參考點(diǎn)，則說明頻帶尚未使用。工作站可以使用這個(gè)帶寬發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。反之，如果信號強(qiáng)度高于參考點(diǎn)，說明當(dāng)前傳輸介質(zhì)處于忙碌狀態(tài)，則工作站必須延遲傳輸時(shí)間，繼續(xù)檢測傳輸介質(zhì)，直到傳輸介質(zhì)處于空閑狀態(tài)，才能傳輸幀。在標(biāo)準(zhǔn)中，物理層評估無線媒體的空閑時(shí)間，并使用物理載波截取該層對無線傳輸介質(zhì)的占用情況進(jìn)行估計(jì)，利用網(wǎng)絡(luò)分配向量進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)虛擬截取，避免不必要的傳輸嘗試。只有當(dāng)兩種監(jiān)聽機(jī)制的監(jiān)聽結(jié)果空閑時(shí)，才可以認(rèn)為無線媒體處于空閑狀態(tài)。

DCF（Distributed Coordination Function ）采用載波偵聽多址訪問沖突避免的方法控制訪問信道。接入機(jī)制以為主，在傳輸數(shù)據(jù)之前，無線媒體會被檢查是否處于空閑狀態(tài)。為了避免沖突，在使用信道時(shí)，其他站點(diǎn)會隨機(jī)分配一段后退時(shí)間[2]。

2.2 DCF機(jī)制仿真及分析。文章主要基于MATLAB平臺來完成仿真分析，基于時(shí)隙同時(shí)處理多個(gè)STA的通信，程序的正確運(yùn)行通過標(biāo)志位來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)STA需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要知道信道此時(shí)的狀況，如果信道處于空閑狀態(tài)，則等待DIFS時(shí)間后進(jìn)行傳輸，需要注意的是如果上—幀傳輸失敗則需要等待EIFS時(shí)間后傳輸;如信道是忙狀態(tài)，則無法傳輸，需要繼續(xù)等待空閑狀態(tài)的到來，退避算法在等待DIFS時(shí)間后便會啟動。發(fā)送端模塊主要包括：數(shù)據(jù)產(chǎn)生、錯(cuò)誤概率模擬、退避過程、ACK接收檢測。假設(shè)STA有Z幀需要傳輸，在每個(gè)時(shí)隙中，都需進(jìn)行物理偵聽和虛擬偵聽，來確定信道的狀態(tài)，如果是空閑，則檢查接入STA的數(shù)量，如果只有一個(gè)站點(diǎn)，直接接入Wlan-simulation函數(shù)傳輸數(shù)據(jù);如果有多個(gè)站點(diǎn)在競爭，則啟動退避算法，占據(jù)信道的STA接入函數(shù)傳輸數(shù)據(jù);如果忙碌，使用信道傳輸數(shù)據(jù)的STA等待接收ACK幀，待信道進(jìn)入空閑狀態(tài)DIFS時(shí)間后開啟退避過程[3]。

仿真條件：物理層采用DSSS方式（競爭窗口初始值CWmin=32，極限退避時(shí)間階數(shù)m=5，SlotTime=20 ，傳輸速率2Mbps），誤碼率0，分組總長度50slots，各STA處于飽和狀態(tài)。

從圖看出，對比值的結(jié)果非常接近，隨著STA數(shù)的增加，WLAN的有效吞吐量呈現(xiàn)衰減程度增大的趨勢。通過MATLAB編寫仿真程序模擬無接入點(diǎn)的WLAN的DCF協(xié)議，并繪制圖表如圖3-2。有接入點(diǎn)的WLAN得有效吞吐量與無接入點(diǎn)的WLAN的有效吞吐量的1/（n+1）十分接近[4]。

由于實(shí)際中物理信道不可能是完全可靠的。首先定義誤包率PER：數(shù)據(jù)分組錯(cuò)誤的概率，這里假設(shè)數(shù)據(jù)分組中只要有一位數(shù)據(jù)發(fā)生誤碼，整個(gè)數(shù)據(jù)分組就不能被正確接收。所以它和誤碼率有如下關(guān)系：

其中L是數(shù)據(jù)分組長度，根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，只要發(fā)送端沒有接收到ACK，競爭窗口就會加倍，因此，完全可以將發(fā)生誤碼的情況考慮進(jìn)來。

仿真假定STA數(shù)量為5，從圖3-3中看出，有效吞吐量隨誤碼率單調(diào)遞減。但這里所選取的誤碼率是十分大的，實(shí)際情況中誤碼率一般在10-6數(shù)量級[5]，所以影響是比較有限的。

3?總結(jié)

無線局域網(wǎng)的不斷發(fā)展，使得人們對WLAN的要求也越來越高，MAC層的接入機(jī)制對提升系統(tǒng)性能的重要性。本文主要研究了DCF接入機(jī)制。采用MATLAB工具，完成對MAC層接入機(jī)制DCF模塊的仿真分析。要提高系統(tǒng)吞吐量，除了在接入信道算法上需要做改進(jìn)外，偵聽技術(shù)上的改進(jìn)也非常重要，今后將作進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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