IEEE802.11MAC协议中退避算法的研究

IEEE802_MAC层CSMA_CA机制的分析与研究IEEE 802 MAC 层 CSMA/CA 机制是一种用于在共享媒体上进行数据传输的协议，常用于局域网中的无线网络。

CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）是一种争用式访问控制技术，通过侦听信道上的信号和发送确认帧来避免碰撞。

CSMA/CA 机制在保证数据传输质量、提高网络效率和减少冲突上具有一定的优势。

首先，CSMA/CA机制的基本原理是侦听和传输确认。

在发送数据之前，节点首先侦听信道上是否存在其他节点的传输，如果信道上有传输，节点则等待一段时间再次侦听。

只有在信道空闲时，节点才能开始传输数据。

此外，在数据传输过程中，发送方节点还会发送确认帧，接收方节点在收到确认帧后才停止传输，以确保数据传输的正确性。

CSMA/CA机制的特点之一是退避算法。

当信道繁忙时，节点会等待一个随机的退避时间，之后再次侦听信道。

退避时间的长度是根据节点数量和信道负载动态调整的，以提高信道的利用率。

此外，CSMA/CA机制还通过发送短的信标帧和后传导信号来减少隐藏终端问题。

CSMA/CA机制还具有一些改进措施来提高网络性能。

其中一个是帧的截断传输，即将较长的帧分成多个较小的片段进行传输，以减小传输过程中发生冲突的概率。

另一个是帧间距的增加，即在每个帧之间增加一定的间隔时间，以便其他节点选择性侦听和传输。

此外，CSMA/CA机制还可以支持不同的连接方式。

对于点对点连接，CSMA/CA机制使用虚拟载波监听技术，可以提供基于数据包的传输。

对于广播连接，CSMA/CA机制使用基于扉口的机制，具备广播链接性能。

CSMA/CA机制的研究主要集中在网络性能的改善方面。

这些研究包括减小退避时间、改进确认机制、优化帧间距等技术。

此外，还有一些研究关注网络拓扑结构的调整和节点的动态调度，以提高网络的容量和效率。

摘要在无线传感器网络中，介质访问控制（MAC）协议决定了无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构，对传感器网络的性能有较大影响。

相对于有线网络，无线环境下的MAC技术要面对更多的问题，尤其对于能量受限、频率资源宝贵和网络拓扑结构动态变化的无线传感器网络而言，设计一种节能高效的MAC协议至关重要。

本文从网络信道分配方式的角度，对MAC层协议进行了分类，介绍了几种比较典型的MAC协议，并对它们进行了分析比较；在对MAC层能量消耗的主要原因进行分析的基础上，对基于竞争机制的MAC协议中的退避机制进行了探讨，通过借鉴无线网络中相关的退避算法，给出了一种无线传感器网络MAC层退避机制的改进方案。

改进的退避算法的基本思想是通过加入初始竞争窗口的参数，采用时隙利用率对当前信道的忙闲状态进行评估，使节点能够根据当前网络信道的状况来调整其竞争窗口的大小，减少发送数据冲突的同时，提高了能量利用率和系统吞吐率。

仿真中，本文将改进的退避方案在无线传感器网络基于竞争机制的具有代表性的MAC层协议S-MAC中加以应用，完成了改进算法在NS-2中的仿真实现，实验表明改进后的退避方案在能量消耗、吞吐量等方面的性能有很好的提高。

本文最后对所做工作进行了总结，并提出了今后的研究方向，如在硬件实验平台上进行实际性能的测试，对改进算法进行进一步的探讨，使之能适应不同拓扑的网络结构等。

关键词：无线传感器网络MAC协议竞争机制退避算法AbstractIn wireless sensor networks，medium access control (MAC) protocols allocate limited radio resource among sensor nodes and construct infrastructure. MAC protocols have a great influence on the performance of wireless sensor networks. Compared to cable networks, MAC technology in wireless condition faces more problems, especially for wireless sensor networks with constrain of energy, valuable resources of the frequency and dynamic changes of network topology, so it is crucial for the design of MAC protocols to achieve a highly energy-saving and efficient performance.Firstly, the analysis and compare of the typical MAC protocols (IEEE802.11、S-MAC、IEEE802.15.4 etc.) are introduced in this thesis. Then, based on the analysis of the energy consumption and performance evaluation indicators of MAC protocols, the thesis discusses the backoff strategy in MAC protocols with competition mechanism, and proposes a new backoff strategy The new backoff strategy brings forward a conception that the competition window changes dynamic. According to the new algorithm, the node in WSN can adjust its competition window adaptively based on the evaluation of the current network channels condition. The essential idea of the improved backoff algorithm is to evaluate the busy condition of the current channel according to the use rate of time slots, by adding a new parameter to the new algorithm which decreases the packets collision as well as improves the energy efficiency and the network throughput. The thesis applies the new algorithm into S-MAC protocol, which is a representation of MAC protocols with competition mechanism, and carries it out in NS-2, a network simulation tool, for simulation. The simulation results show that, in contrast with S-MAC protocol, the new algorithm puts up better performance on energy saving and mean throughput of the wireless networks.Finally, the thesis draws conclusions by summarizing the main contributions of the research and present directions of future work including its implement on hardware platform for experiments to test its practical performance, making it adaptive for other network topology by further study.Keyword: Wireless Sensor Networks MAC protocol Competition Mechanism Backoff Algorithm目录摘要 (I)Abstract (II)1 引言1.1 课题的背景 (1)1.2 研究现状及意义 (3)1.3 本文的研究工作和组织结构 (4)2 无线传感器网络MAC协议的分析2.1 无线传感器网络协议体系 (6)2.2 无线传感器网络现有MAC协议分析 (7)2.3 MAC协议设计的关键问题 (15)2.4 本章小结 (16)3 MAC层协议中改进退避方案的提出与设计3.1 基于竞争机制的MAC协议相关理论 (18)3.2 MAC层协议退避算法分析及改进 (20)3.3 本章小结 (37)4 改进算法的仿真实现与性能分析4.1 改进算法的仿真测试 (38)4.2 算法性能分析 (45)4.3 本章小结 (49)5 总结 (50)致谢 (52)参考文献 (53)1 引言1.1 课题的背景无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术，被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类社会未来的生活方式产生巨大影响。