1 802.11 DCF工作机制
　　近年来，随着无线通信技术和个人移动通信需求的不断增长，无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)作为现有移动通信技术的重要补充，受到业界越来越多的重视。美国电子电机工程师学会IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)的802.11工作组主要致力于无线局域网的标准化问题。目前已经提出了无线局域网的媒体访问控制层MAC(Media Access Control)和物理层PHY(Physical)规范。无线信道的广播特性，使无线局域网的媒体访问控制标准与有线网有很大区别。IEEE 802.11标准包括分布式协调功能DCF(Distributed Coordination Function)和点协调功能PCF(Point Coordination Function)^[1]。
　　在802.11中，DCF是基本的接入方式" title="接入方式">接入方式，它尽力而为地提供数据的异步传送。DCF采用载波侦听多路接入带冲突避免的二进制指数随机回退算法CSMA/CA(Carry Sensing Multiple Access/Collision Avoidance)。与固定网不同，无线节点在传送数据时，由于不能同时对信道进行侦听，因此不再使用带冲突检测CSMA/CD(Collision Detection)的方式访问信道。作为DCF的补充，PCF则主要用于提供无冲突的实时业务，但由于PCF需要网络中存在一个中心接入点，使得网络不再具有分布式的结构。因此本文主要研究具有分布式特点的DCF的性能。
　　在DCF中存在两种接入技术。缺省采用基本接入方式，其帧时序图如图1所示。源节点发送分组后，只有当源节点正确收到目的节点返回的确认消息ACK时才标志发送成功。为了减少无线网络中的隐藏终端问题，DCF还提供了一种基于RTS/CTS(Request To Send/Clear To Send)握手的接入方式，其帧时序图如图2所示。在数据分组发送之前，采用RTS/CTS握手获得信道使用权，目的节点收到数据后发送ACK释放对信道的占用。由于RTS/CTS消息很短，减少了冲突概率，因此RTS/CTS方式在数据分组较长的情况下可以大大提高网络的性能。一个终端可以工作在“混合”模式下，当数据包长度大于RTS门限时,采用RTS/CTS方式传送,反之则采用基本方式传送。

　　已有的文献大都从饱和吞吐率" title="吞吐率">吞吐率的角度出发，对802.11DCF的性能进行分析和提高，文献^[4]和^[5]假设碰撞概率恒定独立，用解析的方法对802.11 DCF的性能作了定量分析。文献^[5]分析了基本方式下的网络饱和吞吐率以及它与相关网络参数的关系。而文献^[4]则对DCF的基本方式和RTS/CTS方式分别作了分析，得到了两种方式下的饱和吞吐率表达式，其中给出了一种计算混合方式网络吞吐率的方法。然而无线局域网大部分时间工作在非饱和(轻负载)情况下，因此有必要研究在非饱和以及饱和情况下通用的性能改进算法。
基于分组单次成功发送持续的时间、单次碰撞持续的时间和当前信道的分组成功传送概率，本文给出了混合方式下最优RTS门限的计算方法。基于最优RTS门限的计算方法提出了一个自适应RTS门限调整算法,以便终端能够根据当前的网络环境计算当前信道的分组成功传送概率，从而计算出当前分组传送所需的RTS门限，以减小分组传送的时间开销和提高整个网络的信道利用率。
2 自适应RTS门限调整算法
　　现有DCF中，无线终端可以选择RTS/CTS或基本方式进行分组传送。RTS门限设定后，当数据分组长度小于RTS门限时，采用基本方式传送；当分组长度大于RTS门限时，采用RTS方式传送，这种方式被称为混合工作方式。由于基本方式和RTS方式的传送机制有所不同，因此两者所需花费的时间开销也有差别。当网络中分组传送的成功率很高(冲突很低)时，即使数据分组很长，采用RTS方式所需的时间代价也会高于基本方式(因为传送RTS/CTS帧会增加时间开销)；当网络分组成功传送率很低(冲突严重)时，即使较短的分组(分组长度大于RTS/CTS帧，小于设定的RTS门限)，采用RTS方式也会减小分组传送的时间开销。因此RTS门限值的设定与当前信道的分组成功传送率(或失败概率)有关。在任意确定的分组成功传输概率下，对于单纯的基本接入方式或RTS/CTS接入方式，传输一个数据分组所需要的时间开销均是关于数据分组长度L的单调递增函数，而且两个函数存在一个交点。这就意味着，对于任意信道竞争强度，存在一个最优的RTS 门限，基于该门限选择采用基本方式或RTS/CTS方式传送，可以使得传送一个数据分组所需时间代价最小。现有DCF存在的问题是：RTS门限被设置为常量而不能根据当前信道竞争强度的变化做相应调整，这种固定设置将会增加分组传送的时间开销。
2.1 分组发送成功和失败的时间开销
　　无线节点的能量主要消耗在分组的发送和接收阶段，尤其是在分组的发送阶段，而在缓存和退避阶段消耗的能量很小。设单位时间内分组传送和接收消耗的能量为一常量，则分组传送所消耗的能量与收发器的工作时间成正比，因此分组传送的时间开销(不包括分组的缓存时间和分组在DCF退避阶段所等待的时间)是被关注的重要参数。设R是信道的数据速率，δ是传播时延，数据包载荷长度为L(字节)，PHY为IEEE 802.11 DCF中的PLCP头，共192位，当传输速率" title="传输速率">传输速率为1Mbps时，其对应的时间为192μs。根据IEEE 802.11 DCF中的定义，单个分组传送成功或失败的时间开销T可以表示如下(上标rts表示RTS/CTS方式，上标bas表示基本方式，下标suc表示成功发送，下标con表示失败的发送)：
　　
　　为了获得最优RTS门限，接下来将根据DCF的重传机制分析一个分组传送过程需要的传输时间开销。
2.2 混合方式网络的最佳RTS门限
　　设当前网络数据" title="网络数据">网络数据分组单次发送的成功概率为P_s，单次发送失败的概率为P_c=(1-P_s)，设分组重传次数最大值为M(在基本方式和RTS/CTS方式中，分组重传次数的最大值分别被设定为短帧重传极限7和长帧重传极限4)，则分组连续重传(失败)m(0≤m≤M)次后成功传送的概率为P_c^mP_s，其对应的时间开销为T_suc+mT_con，分组连续M次传送完全失败的概率为p_c^m，对应的时间开销为MT_con，则单个数据分组传送总的时间开销(包括重传，但不包括回退所花费的时间)的期望值可表示为：
　　
　　Ms表示RTS/CTS采用的短帧重传极限，Ml表示基本方式采用的长帧重传极限，_bas表示基本方式下单个分组传送的总时间开销的期望，_rts表示RTS/CTS方式下单个分组传送的总时间开销的期望。从而可以分别得到基本方式和RTS方式下单个数据分组传送总的时间开销的期望值：

　　由L_opt的表达式可知，其中的变量只有P_s(注意P_c=1-P_s)，而其他量均为DCF定义的常量，因此接下来的工作就是如何获取信道的分组成功传送概率P_s。
2.3 当前信道分组发送成功概率的估计
　　为了获得最佳的RTS门限L_opt，首先需要估计当前网络数据分组单次发送的成功概率。设C_i为布尔型变量，当节点数据分组发送成功时C_i值设为1，失败时设为0。表示当前分组成功发送概率的预测值。设α为记忆因子，α∈[0，1]。则当前信道分组成功发送概率的预测值的递推公式可表示为：
　　
　　记忆因子α的取值对当前数据分组发送的成功概率和失败概率的预测有着重要影响。当α的取值太小时，会造成最近一次数据发送成功或失败对预测值的影响过大而使预测结果具有较多的偶然性；当α的取值太大时，会造成所预测的值不能及时反映当前网络的竞争状况。在本文中α取0.95(也可以采用其他经验值)。
3 仿真分析
　　仿真采用网络仿真软件OPNET8.1，其中无线局域网802.11DCF采用的仿真参数如表1所示。物理层采用DSSS，信道传输速率R为1Mbps，传播时延δ为1μs，无线传输距离为300m。

　　网络场景大小为250m×250m的矩形区域，节点数量为20个，编号分别为1~20。当节点处于发送状态时，分组产生时间服从参数为0.1秒的指数分布，分组长度服从参数为1 024B的指数分布。仿真时间为10分钟，其中节点1~10始终处于发送状态，节点11~20分别在0~2分钟、4~6分钟和8~10分钟处于空闲状态，在2~4分钟和6~8分钟处于数据发送状态，以仿真网络在数据量较低和较高时的各项指标。仿真采用基于记忆加权的预测算法对分组发送的成功概率P_s进行预测，α取0.95。
　　仿真分组传送的时间开销RTS方式与自适应RTS方式比较如图3所示，可以看出，在网络数据流量较小(0~2分钟、4~6分钟和8~10分钟，即10个节点发送)时，自适应RTS方法成功传送一个数据分组所需要的时间开销明显低于单纯的RTS方法(约为1ms)；在数据流量较大(2~4分钟和6~8分钟，即20个节点发送)的情况下，自适应RTS方法成功传送一个数据分组所需要的时间开销比单纯的RTS方法略低，说明在分组传送开销和节点节能方面自适应RTS方法优于单纯的RTS方法。基本方式与自适应RTS方式的时间开销比较如图4所示。它表明：在网络数据流量较小的情况下，自适应RTS方法成功传送一个数据分组所需要的时间开销比单纯的基本方法略低；在数据流量较大的情况下，自适应RTS方法成功传送一个数据分组所需要的时间开销明显低于单纯的基本方法(约为1ms)。说明在分组传送开销和节点节能方面自适应RTS方法优于单纯的基本方法。

　　仿真分组传输效率。定义分组传输效率为传送一个分组所需要的时间开销(包括重传分组的时间，但不包括DCF退避时间)与该分组中有效数据载荷传送需要的时间之比。RTS与自适应RTS方式比较如图5所示。它表明：在网络数据流量较小(0～2分钟、4～6分钟和8～10分钟，即10个节点发送)时，自适应RTS方法的传输效率明显高于单纯的RTS方法；在数据流量较大(2～4分钟和6～8分钟，即20个节点发送)时，自适应RTS方法的传输效率与单纯的RTS方法基本相当，说明自适应RTS方法的传输效率优于单纯的RTS方法。基本方式与自适应RTS方式分组传输效率比较如图6所示。它表明，在网络数据流量较小的情况下，自适应RTS方法的传输效率与单纯的基本方法差不多；在数据流量较大的情况下，自适应RTS方法的传输效率略高于单纯的基本方法。这说明虽然自适应RTS方法的传输效率与单纯的基本方法非常接近，但自适应RTS方法的传输效率仍然优于单纯的基本方法。