无线自组网MAC层协议典型的退避算法分析与仿真

王亚军;宋杰;王传安

【摘 要】MAC层协议的退避算法对Ad Hoc网络的性能有着重要的影响,研究不同退避算法的性能,对协议在实际网络中能否具体应用具有重要意义。文章介绍了Ad Hoc网络BEB退避算法和MILD退避算法的原理,分析了退避算法中几个主要参数对网络性能的影响,并利用OPNET软件对两种退避算法的性能进行了仿真,从而为实际网络环境下评估MAC层协议的性能提供参考。%MAC Protocol Retreats Algorithm has an important influence on the performance of Ad Hoc Network,studies of different Retreats Algorithm performances have important meaning for whether the protocol can apply specifically in the actual network.This paper introduces the principles of Ad Hoc Network BEB retreats algorithm and MILD retreats algorithm,analyzes the effect of several major parameters in the retreats algorithm to network performance and uses OPNET software to simulate the performances of two Retreats Algorithms,the study provides the reference for the performance assessment of MAC Protocol in the actual network environment. 【期刊名称】《宜春学院学报》 【年(卷),期】2012(034)004 【总页数】4页(P33-36)

【关键词】无线自组网;MAC;BEB;MILD 【作 者】王亚军;宋杰;王传安

【作者单位】安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,合肥230039／安徽科技学院理学院,安徽凤阳233100;安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,合肥230039;安徽科技学院理学院,安徽凤阳233100 【正文语种】中 文 【中图分类】TP393

Ad Hoc网络[1]是一种无固定基础设置的多跳无线自组织网络，网络内每一个节点都可以随机的移动接入，节点身兼二职，既可以充当终端又可以充当路由器，数据帧通过节点之间的相互转发实现源节点到目的节点之间的数据传输。节点的接入特性决定了MAC层协议较适合采用载波侦听冲突避免CASMA/CA[2]这种接入机制，该机制主要解决:载波侦听及冲突避免的方法，隐藏终端[2]，暴露终端，信道公平访问的等问题。节点能否有效的避免冲突和公平访问的信道主要由退避算法的性能决定，本文将重点分析和仿真Ad Hoc网络常用的两种退避算法:二进制指数退避BEB[3](Binary Exponential Backoff)算法和乘性增加线性减少

MILD(Multiplieative Increase Linear Decrease)算法，了解它们在Ad Hoc网络中的性能。

当前Ad Hoc网络MAC层协议主要是采用具有分布式协调功能的载波侦听多址访问/冲突避免(CSMA/CA)机制，即 IEEE802.11 DCF[4]接入方式。该机制包括载波侦听及检测 (CS)机制、帧间间隔 (IFS)和随机退避规程。节点要发送数据时，按照载波侦听冲突避免 (CSMA/CA)方式接入信道，需要发送数据帧的节点首先监听信道的使用情况，若信道空闲时间大于DIFS(DCF inter Frame space)帧间间隔，则立即发送数据帧;否则，继续监听信道，直到检测到合适的空闲帧间隔，然后选择一个随机退避时间进入退避，退避时间递减到零后，若信道空闲，则立即发送数据帧;否则重新开始上述侦听过程，并按退避算法选择退避时间。

为了避免多个节点在信道空闲时同时发送数据而造成的冲突，IEEE802.11 DCF的退避机制采用二进制指数BEB(Binary Exponential Backoff)退避算法，其随机退避时间用下面的公式得到:

其中，Random()是一个均匀分布在[0，CW]段上的伪随机整数，竞争窗口CW是介于最小竞争窗口CWmin和最大竞争窗口CWmax之间的一个整数。时隙时间aSlotTime是描述物理层特性的数据，其值由物理层决定。CW的初始值等于CWmin。

该退避算法对CW值的计算由Finc和Fdec两个函数来完成，其公式如下: 当节点发送数据成功时，该节点的竞争窗口就执行Fdec函数所规定的操作，从而使竞争窗口CW的值降至最小，即CW的等于CWmin;当节点发送的数据与其他节点发送的数据发生冲突时，该节点的竞争窗口就执行Finc函数所规定的操作，节点的竞争窗口值加倍，从而使竞争窗口CW的值增大。当节点成功发送或者重传次数过多超过一定门限时，则CW都会被重新设置为CWmin。

当节点一次发送数据成功后，该节点的竞争窗口变为CWmin，没有成功发送数据帧的节点获得竞争窗口的值较大，在后续的信道竞争中，越是争用不到信道的节点，在后面竞争信道的时获得信道的可能性越小。因此，在节点竞争信道时，BEB算法会带来严重的不公平现象，不能正确反映信道当前的争用状况。 BEB 算法的程序描述如下:

为了克服 BEB算法不足[4]，在 Ad Hoc网络MAC层协议中提出了乘性增加线性减少算法MILD，该算法在BEB算法的基础上对BEB算法进行了改进，力争克服BEB算法给节点带来的不公平性现象。该算法具体公式如下:

α和β是两个可变的参数[5]。在 MILD算法中，当节点发送一次数据帧交互成功后，执行Fdec函数规定的操作，使该节点竞争窗口的值减小β;当节点发送的数据帧与其他节点发送的数据帧发生冲突时，执行Finc函数规定的操作，使该节点竞

争窗口的值增加α倍;即倍数增加，线性减少。若α，β取值都比较合理，则竞争窗口CW的值不会急剧增加，也不会大幅度减小，在以后信道争用的过程中，所有节点获得信道的机会几乎均等，从而实现了节点的公平接入。 MILD算法具体描述如下:

网络仿真平台使用OPNET[6]作为仿真工具来研究BEB算法和MILD算法的性能。在200m*200m范围内，分别以5个和20个移动节点组成的单跳Ad Hoc网络为例，业务采用ON－OFF模式产生，ON平均持续时间expential(10)，OFF平均持续时间为expential(90)，开始时间为constant(0.02)，包平均到达间隔expential(0.01)，包平均大小为 expential(1024)，数据传输速率为2Mbps，调制方式为DSSS，仿真时间为10分钟。

1)当网络中有5个移动节点时，BEB算法和MILD(α=1.5，β=3)算法中node0，node1节点的吞吐量和时延如下图1，2和图3，4所示:

分别对比图1和图3，图2和图4，我们发现当节点比较少的时候，BEB算法中节点的吞吐量大于 70000～90000bit/s，时延为 0.009s;MILD(α=1.5，β=3)算法吞吐量为70000bit/s，时延为0.12s;MILD算法的性能并不比BEB算法的性能优越，甚至还略差些。

2)20个节点时，BEB算法和MILD算法节点的吞吐量和时延如图5，6，7，8，9，10所示:

对比图5，图7和图9可以发现，当节点的数量增加到20个时，BEB算法中节点的吞吐量约为45000bits/s，MILD(α=0.8，β=3)算法中节点的吞吐量约为50000bits/s，MILD(α=2，β=3)算法中节点的吞吐量在50000～60000 bits/s之间。对比图6，图8，图10可以发现，20个节点时，BEB算法的时延约为0.2s，MILD(α=0.8，β=3)算法中节点的时延约为0.15s，MILD(α=2，β=3)算法中节点的时延约为0.125s。可见节点较多时MILD算法性能比BEB算法优越，在MILD

算法中参数α，β选择的适当，可以提高Ad Hoc网络的性能。

文章重点阐述并分析了无线自组网MAC层协议退避算法的基本原理，并运用OPNET仿真软件对常用的BEB算法和MILD算法进行了仿真，仿真结果表明随着业务量的增大，使用MILD算法，可以较有效的减少节点间的冲突，节点的时延和吞吐量等性能都比BEB算法好，从而可有效改善和提高网络的信道利用率。

【相关文献】

[1]王金龙，王呈贵，吴启晖，等.Ad Hoc移动无线网络[M].北京:国防工业出版社，2004，2－4 [2]Su Xiang，Kang Kai.Mechanism to reduce collision int IEEE802.11DCF[J].Journal of Tsinghua University(Sci＆Tech)，2007，(47):1180 －1184

[3]赵志峰，郑少仁.Ad Hoc网络信道接入协议[J].电信科学，2003，(1):26 －30

[4]陈伟，张剑，黄秋元.IEEE802.11标准MAC性能分析和一种改进方法[J].通信系统与网络技术，2006，(2):12－14

[5]V.Bharghavan，A.Demers，S.Shenker.MACAW:A Media Aeees Protoeol for Wireless LANs[A].ProC of ACM SIGCOMM’94[C]，London，1994，212 －225

[6]李馨，叶明.OPNETModerler网络建模与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社，2006