WLAN接入機制優(yōu)化分析與研究

周奇

（廣東開放大學信息與工程學院，廣州 510091）

0 引言

根據(jù)不同QoS服務需求，IEEE 802.11協(xié)議族提供了不同的方式提供相應的接入機制。EDCA機制和DCF機制[1]有類似的基本接入過程和接入?yún)?shù)調(diào)整規(guī)則。在進行數(shù)據(jù)傳輸前，分析節(jié)點在一定的競爭窗口CW內(nèi)隨機均勻選擇退避時間計數(shù)器，并啟動退避時間計數(shù)器遞減過程。當計數(shù)器遞減到“0”的時候，分析節(jié)點嘗試進行一次數(shù)據(jù)傳輸。我們對節(jié)點分析傳輸數(shù)據(jù)的時候發(fā)可能生碰撞，那么分析節(jié)點會增大一倍競爭窗口CW的大小，并啟動退避時間計數(shù)器遞減過程。如果數(shù)據(jù)傳輸成功，分析節(jié)點則重置競爭窗口CW為最小數(shù)值并開始一次新的數(shù)據(jù)傳輸。

EDCA機制和DCF機制最主要的差別在于，EDCA機制[1]針對每一種接入類別，提供了一套接入?yún)?shù)用于支持QoS服務需求：任意幀間隔（Arbitration Interframe Space，AIFS）、傳輸機會（Transmission Opportuni?ty，TXOP）、最小和最大競爭窗口（CWmin[AC]、CWmax[AC]）。

和DCF機制相比較，EDCA機制中存在兩個主要競爭關(guān)系：一是不同優(yōu)先等級節(jié)點之間的競爭，簡稱：互競爭；二是相同優(yōu)先等級節(jié)點之間的競爭，簡稱：內(nèi)競爭?；ジ偁幙梢允峭还?jié)點不同業(yè)務類型之間的競爭，也可以是不同節(jié)點不同業(yè)務類型之間的競爭。內(nèi)競爭通常是不同節(jié)點之間相同業(yè)務之間的信道競爭。

基于退避調(diào)整規(guī)則和不同的幀間隔，Xiao提出一種新優(yōu)先級分類的方法，進一步分析優(yōu)化了基于時隙的分析模型，提出了一些最優(yōu)配置和自適應接入機制，這些方法主要在IEEE 802.11e基礎(chǔ)上提供支持QoS需求。

1 AEDCF（Adaptive EDCF）

在LamiaRomdhani文獻中，多個競爭節(jié)點信道時，如果成功傳輸后將重置為會導致信道中碰撞率的增加，影響網(wǎng)絡性能。提出AEDCF機制，將碰撞率設置參數(shù)，節(jié)點業(yè)務以自適應方式動態(tài)更新并設置CW值。其中，碰撞率可能在某周期內(nèi)沖突相應的數(shù)量和相應的發(fā)包總數(shù)用比值表示，可以呈現(xiàn)一個分布式網(wǎng)絡中的節(jié)點碰撞的相關(guān)狀況，其值定義為：

在不同業(yè)務在變更CW值的情況下，還可以使不同業(yè)務類別間的優(yōu)先級關(guān)不變，而對CW做出相應調(diào)整，可以用 MF（Multiplicator Factor），乘數(shù)因子MF相關(guān)的i類業(yè)務的定義為：

式（3）可以得出業(yè)務高的優(yōu)先使用相對小的MF值調(diào)整CW。

（1）AEDCF的中，i類業(yè)務如果傳送成功數(shù)據(jù)幀后，并不是簡單的將CW[ACi]重置為CWmin[ACi]，如下：

式(4)保證了CW[ACi]優(yōu)先級一直大于等于且保持CWmin[ACi]。

（2）如果i類業(yè)務失敗時，不會像EDCA中避更CW[ACi]，以 IEEE 802.11e舊版本（PF，Persistence Fac?tor）來調(diào)整CW的值，來確保業(yè)務擁有較小的較高優(yōu)先級PF[ACi]，使其降底新沖突的概率，所以這樣起到減少延遲：

2 FCR（碰撞快速解決機制）

我們在競爭的MAC機制中，為了獲得更高吞量，可以歸納以下幾點：

（1）為了避免降低競爭周期中的平均空閑時隙數(shù)，可以使用設備較小的退避隨機計時器，前提是在競爭周期內(nèi)且傳輸成功。

（2）為了降低碰撞幾率并避免可能會延遲相應的幀節(jié)點的發(fā)生的退避隨機計時器。

（3）快速調(diào)整退避隨機計時器相應的值，數(shù)據(jù)幀傳輸成功后，需降低退避計時器，若節(jié)點推遲傳輸相應的數(shù)據(jù)幀，此時需加大退避計時器，這樣就能減少未來的碰撞概率。注意，如果在此過程中沒能感應并測試某一段連續(xù)的空閑時隙，應當使其指數(shù)減小退避計時器以降低平均空閑時隙。

通過以上分析，我們給出了FCR機制，在這種機制下，可以更好地解決相互碰撞的概率問題，并在競爭周期中浪費空閑相關(guān)問題。我們將其分為三個部分：成功傳輸數(shù)據(jù)幀狀態(tài)、碰撞和傳輸推遲狀態(tài)。另外，與IEEE 802.11eMAC相比，我們使用較小原始競爭窗口CWmin和較大的窗口競爭CWmax，如果感應并測試到某一段連續(xù)空閑時隙時加快降低其相應的退避計時器的值。FCR總結(jié)如下：

（1）退避情況下：信道被監(jiān)聽，如果空閑則使退避計時器（BT）減1，如果此值為0時，隊列中的數(shù)據(jù)幀開始傳輸相應的節(jié)點。如果是連續(xù)的[(CWmin+1)×2-1]個空閑時隙，應該加速降低退避計時器相應的值。如，BTnew=BTold/2，若BTnew＜aSlotTime則BTnew=0。

從以上分析來看，在此情況下，在成功處理完成后，這樣可以降低空閑時隙的浪費，可以高效回收信道。

（2）傳輸失敗：如果發(fā)生數(shù)據(jù)幀沖突同時出現(xiàn)可能的傳輸不成功，我們要增大競爭窗口并重新計算隨機退避計時器值。如：

（3）傳輸成功：數(shù)據(jù)成功傳輸數(shù)據(jù)相應幀后，使其窗口值重置為其最小競爭窗口CWmin并設置退避計時器計算相應的值。即：

（4）傳輸推遲：如果信道被占用時，可以肯定沖突正在發(fā)生，或正在處理傳輸數(shù)據(jù)幀。此時，須加大競爭窗口并開始重新設置并計算退避計時器的值。即：

我們分析了相應的方法并進行了改進，可以看出我們的處理能比原MAC提供更高的信道利用率和更高的吞吐量。在FCR中，我們重新計算退避計時器當其數(shù)據(jù)幀沖突的時候，并重新設置相應的值，可以降低并減少沖突概率。通過這種方式，能使絕大多數(shù)節(jié)點快速、高效地解決相應的碰撞問題，但不能保證競爭占有信道公平性。

3 AFEDCF（Adaptive Fair EDCF）

Mohammad Malli在文獻[2]中表述并得出一種自適應公平EDCF機制，我們認為，為了減少數(shù)據(jù)幀沖突和對空閑時隙的浪費可能導致協(xié)議性能的下降。所以我們提出了AFEDCF機制，相關(guān)表述如下：

（1）計時器退避減少：在原IEEE 802.11e機制中，如果發(fā)現(xiàn)有空閑信道，檢測相應節(jié)點，將它們的退避計時器減少一個時隙的時間，即BTnew[ACi]=BTold[ACi]-ST。我們在AFEDCF的退避計時器將剩余的值小于等于退避閾值（Backoff Threshold），若測試到某段連續(xù)的空閑時隙Bof_Th[ACi]，將降低避計時器。當其達到0時，傳送報報文。即：

BTnew[ACi]=BTold[ACi]/2 若 BTnew[ACi]＜ST ，則BTnew[ACi]=0

（2）數(shù)據(jù)幀沖突狀態(tài)：數(shù)據(jù)幀沖突并可能使其傳送失敗，可以修改：

①設置競爭窗口值CW[ACi]加倍：

②使用式（7）更新其BT[ACi]：

③使用式（8）減小其Bof_Th[ACi]值：

（3）成功傳送數(shù)據(jù)幀：如果成功傳送相應數(shù)據(jù)幀后，我們還是以IEEE 802.11e中的機制將當前競爭窗口值CW[ACi]重置為CWmin[ACi]，但要根據(jù)式（7）和式（8）更新其BT[ACi]和Bof_Th[ACi]值。

通過以上分析，為了減少網(wǎng)絡中浪費空閑時隙，使用自適應可以快速降低計時器的值，可以調(diào)協(xié)使用退避閾值Bof_Th[ACi]由不同優(yōu)先級隊列的CW參數(shù)計算進行動態(tài)調(diào)整，同時注意，此方案一般用在網(wǎng)絡負載不大的情況下，且存在連續(xù)空閑時隙，在這種情況下，可以保證相同優(yōu)先級的公平性。