内部MAC协议优化方案设计

飞机编队内部组网通信时采用的MAC协议可以借鉴IEEE802.11 MAC协议定义的分布式协调功能（distributed coordination function，DCF），其核心是带冲突避免的载波侦听多路访问机制，该机制利用分布式管理方法，把信息发送的权力赋予征用信道成功的节点，但该协议在节点访问信道时会存在不公平现象，导致吞吐量下降，时延增加。

1）基于RTS／CTS方式的数据传输

数据传输前，节点先通过载波侦听冲突避免机制判断信道是否空闲。若信道空闲，节点等待一个分布式帧间间隔（distributed interframe space，DIFS）的时间，若时间内信道保持空闲则开始发送数据；如果由空闲变成繁忙则执行退避算法，从0到当前竞争窗口（contention window，CW）值之间随机选择一个退避值，等到信道空闲一个DIFS后，开始单位递减退避值，退避值从CW递减到0则节点开始发送数据；若递减过程中信道再次变忙，冻结退避计数器开始等待，等到信道再次空闲一个DIFS后继续退避递减，直到退避值递减到0并且信道再次空闲DIFS时间后，开始发送数据帧。短帧间隔（short interframe space，SIFS）内若发送节点收到接收节点返回的确认帧，则认定数据发送成功，否则重传。

传输过程中若数据帧发生碰撞，会造成很大的重传开销。为了避免数据碰撞，引入信道预留机制，发送数据包前先发送RTS（request to send）帧预约信道，接收节点收到RTS帧后，发送CTS（clear to send）帧应答，发送节点收到CTS帧表示信道预约成功，SIFS时间间隔后开始发送数据包。RTS／CTS方式的数据传输过程如图9.8所示，NAV表示网络中正有其他的节点要占用信道的时间长度。

图9.8　RTS／CTS方式数据传输过程

2）传统二进制指数退避算法

退避过程中CW值的选取决定了节点的竞争力，CW值越小表示退避时间越短，则该节点的竞争力就越强。原IEEE802.11 DCF协议中采用的二进制指数退避（binary exponential backoff，BEB）算法：

式中，Backoff Time为退避时间，Random（0，CW）表示0～CW之间的一个伪随机数，Slot Time为基本单位时间，定义为：当一个点在Slot Time内开始接入媒体，那么在下一个Slot Time开始时，其他站均能检测出信道已由空闲转变为忙态。此算法的CW更新规则忽略了成功交互前的CW值，给发送成功的节点直接赋予最小的竞争窗口CWmin，导致发送成功的节点CW值迅速减小，使其总是具有最强的竞争力。当节点数目较多时，网络中的节点经过多次退避后CW的值很小，发送成功的节点就会一直处于竞争成功的状态，引起了信道资源占有的不公平性：发送成功的节点一直占有资源，其他节点因抢占不到信道而“饿死”。竞争窗口快速变化导致网络拥塞加剧使得吞吐量减小，时延大大增加，网络整体性能较差。通过对IEEE 802.11 DCF中退避算法的仿真分析发现，适当的竞争窗口大小以及合理的退避方法可以改进网络的性能。于是针对原算法存在的缺陷，下面提出一种基于分段思想的动态退避SDBA（subsection based dynamic backoff algorithm）算法。

3）基于分段思想的动态退避算法(www.xing528.com)

此算法采用分段思想对竞争窗口进行控制，较原算法作出4点改进：

（1）传统退避算法中，信道从忙变为空闲需要等待一个DIFS再开始发送数据，在节点数目较多时，等待时间会使网络时延大大增加，从而导致传输速率下降。SDBA算法在信道空闲后无须等待一个DIFS，直接进行数据传输，使得传输时延明显减小。

（2）此算法引入中间值CWm，CWm=1／2（CWmax-CWmin）。通过中间值将竞争窗口划分为两个区域，根据段落内不同的竞争窗口特征，选择不同的倍乘因子和变化规律，动态调节竞争窗口大小。

（3）考虑到成功交互前的竞争窗口值，使节点成功交互时，竞争窗口并不是直接减小到CWmin，而是在原竞争窗口CW基础上进行相应变换，使得竞争窗口变化相对平衡。

（4）当报文发生碰撞时，若竞争窗口CW位于（CWm，CWmax］之间，由于竞争窗口比较大，所以交互失败时，应该选择较小的倍乘因子，使竞争窗口较缓慢增加。当交互成功时，将竞争窗口下降为原来的一半，来避免由于退避时间过长使得信道长时间空闲，导致信道利用率下降的问题。

若竞争窗口位于［CWmin，CWm］之间，竞争窗口较小竞争激烈，报文的相互碰撞比较频繁，所以交互失败时应该选择较大的倍乘因子，使竞争窗口较快速增加。当交互成功时竞争窗口在原窗口基础上减5，避免竞争窗口下降过快，引起更多冲突。算法具体表示为

当CWmax≥CW＞CWm时，

当CWmin＜CW≤CWm时，

新算法使得竞争窗口变化更为平衡合理，有效控制了CW值的减小速度，使得发送失败的节点也具有竞争力，信道资源竞争公平性得到改善，网络拥塞状况得以缓解。