CSMA/CA 介质访问控制协议

CSMA/CA vs CSMA/CD

特性	CSMA/CD（以太网）	CSMA/CA（WiFi）
碰撞处理	检测并重传	预先避免
半双工/全双工	全双工	半双工
为什么不同	有线可检测碰撞	无线无法可靠检测碰撞

WiFi 使用 CA（Collision Avoidance，避免碰撞）而非 CD（Collision Detection，检测碰撞），因为：

发送方无法监听：自身发射信号远强于接收信号
隐藏终端问题：A 和 C 都听不到对方，但都能干扰 B
暴露终端问题：C 可以发送给 D，但不需要等待 A→B 完成

CSMA/CA 工作流程

基本流程

1. 监听信道（Carrier Sense）
   ├── 物理层载波侦听（PHY-CS）：检测能量电平
   └── MAC 层虚拟载波侦听（VCA）：NAV 计数器

2. 信道空闲？
   ├── 是 → 等待 DIFS，然后发送
   └── 否 → 等待信道空闲 → DIFS → 进入退避

3. 退避（Backoff）
   ├── 随机选择 backoff counter ∈ [0, CW]
   ├── 每经过一个 slot time，counter -1
   ├── 信道变忙？→ 暂停 counter
   ├── 信道空闲 ≥ DIFS？→ 恢复计数
   └── counter = 0？→ 发送帧

4. 等待 ACK
   ├── 收到 ACK → 成功，CW 重置为 CWmin
   └── 未收到 ACK → 失败，CW 翻倍（二进制指数退避）

时间参数

参数	20 MHz	40 MHz	说明
SIFS	16 μs	16 μs	短帧间间隔（高优先级响应）
PIFS	28 μs	28 μs	PCF 帧间间隔
DIFS/DCF-IFS	34 μs	34 μs	分布式帧间间隔
EIFS	492 μs	492 μs	扩展帧间间隔（错误后）
Slot time (2.4G)	20 μs	20 μs	退避时隙
Slot time (5G)	9 μs	9 μs	5 GHz 更短的时隙

CW（Contestation Window）参数

CWmin / CWmax:
- 802.11a/b/g:  CWmin=15, CWmax=1023
- 802.11n/ac/ax: CWmin=15, CWmax=1023（默认）
                 CWmin=15, CWmax=1023（QoS 数据）

退避过程：
第1次尝试: CW = [0, 15]     → 随机选一个数
第2次尝试: CW = [0, 31]     → 翻倍
第3次尝试: CW = [0, 63]     → 继续翻倍
...
第N次尝试: CW = [0, 1023]   → 达到上限后不再增加

RTS/CTS 机制

隐藏终端问题

A ────→ B ←──── C

A 和 C 互相听不到，但都会干扰 B。
当 A 正在发送给 B 时，C 也开始发送 → 碰撞！

RTS/CTS 解决方案

A          B          C
 │          │         │
 │──RTS────→│         │ (C 听到 RTS，设置 NAV)
 │←─CTS────│         │ (C 听到 CTS，延长 NAV)
 │──Data──→│         │ (C 保持沉默)
 │←─ACK───│         │

RTS（Request to Send）：发送方请求发送，包含数据帧长度
CTS（Clear to Send）：接收方确认，通知周围设备保持安静
NAV（Network Allocation Vector）：虚拟载波侦听计数器

何时启用 RTS/CTS？

场景	建议
默认	禁用（开销大）
隐藏终端严重	启用，或设置低 RTS threshold
小帧传输多	谨慎使用（RTS/CTS 开销可能超过数据本身）

EIFS（扩展帧间间隔）

当接收方检测到帧错误（FCS 校验失败）时：

正常情况: DIFS → backoff → transmit
错误后:   EIFS → backoff → transmit

EIFS = SIFS + ACK_time + DIFS

目的：给发送方时间重传，避免接收方在恢复期间抢占信道

性能分析

吞吐量的理论上限（MacGregor- Kleinrock 模型）

S = (Pₜ × Tₜ) / (Tₜ + Tₑ + Tᵢ)

其中：
S   = 吞吐量效率
Pₜ  = 传输成功概率
Tₜ  = 成功传输时间
Tₑ  = 碰撞/失败后的平均等待时间
Tᵢ  = 信道空闲时间

实际观察到的规律

1-2 个竞争设备：效率 > 80%
5-10 个竞争设备：效率 ~ 50-70%
20+ 个竞争设备：效率 < 30%，退避时间占主导