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基于802.11標準WLAN芯片指數回歸算法
OFweek通信國際
摘要: 當802.11WLAN網絡上的數個裝置同時傳送數據時,由于頻寬的限制,會發生“封包碰撞”(collision)的情況。一般以太網絡是使用“指數回歸算法”(exponentialbackoffalgorithm)來解決這種問題。
Abstract:
Key words :

  當802.11 WLAN網絡上的數個裝置同時傳送數據時,由于頻寬的限制,會發生“封包碰撞”(collision)的情況。一般以太網絡是使用“指數回歸算法”(exponential backoff algorithm)來解決這種問題,而802.11標準也不例外。802.11的MAC標準稱作“分布式基礎無線媒體擷取控制”(distributed foundation wireless MAC;DFWMAC)。

  如果真要自行設計“專屬的WLAN”,必須先行克服從射頻實體層至MAC層的通信協議問題。假設他們已經具有很純熟的27MHz無線電傳收機技術,則剩下的就是要解決MAC層的通信協議問題,這主要包含兩個重要的問題:CSMA/CA和回歸(backoff)。當然,除此之外,RTS/CTS流量控制和“分布式協調功能(distributed coordination function;DCF)”,以及更上層的驅動程序、應用軟件、各通信層之間的接口….等,都要嚴格考慮在內。不過,本文將專注于回歸技術的探討。

  碰撞的問題

  當兩臺裝置同時開始傳送數據時,它們將會先檢查纜線中是否有載波存在,若載波有存在,而且纜線是處于閑置狀態,它們就會馬上傳送封包。因為它們所發射的電子信號會彼此干擾,這種干擾會造成“封包碰撞”的結果。碰撞會使封包內的數據混淆不清,致使接收到的封包無法還原成正確的數據。

  雖然,CSMA/CA和回歸都能解決碰撞的問題,不過,在功能上,它們是有差別的。CSMA/CA是一種“競爭”(contention)通信協議,它傾聽WLAN網絡,避免碰撞發生。它和傳統的CSMA/CD(被以太網絡使用)不同,CSMA/CD是在碰撞發生之后,才起來處理后續的傳送作業。CSMA/CA則是防患未然,所以比較有助于網絡通信。因為它在任何真正的數據被傳送之前,會先在網絡上廣播(broadcast)一個信號,傾聽是否有碰撞發生,同時告訴其它裝置不要廣播。

  當發生碰撞時,裝置必須等待一段時間,等纜線恢復閑置時,才能再傳送。不過,若兩個裝置

  同時再次發射信號,則另一個碰撞又將再次發生。為了避免這個情況發生,就必須采用“二進制指數回歸算法”來解決。

  當802.11 WLAN網絡上的數個裝置同時傳送數據時,由于頻寬的限制,會發生“封包碰撞”(collision)的情況。一般以太網絡是使用“指數回歸算法”(exponential backoff algorithm)來解決這種問題,而802.11標準也不例外。802.11的MAC標準稱作“分布式基礎無線媒體擷取控制”(distributed foundation wireless MAC;DFWMAC)。

  如果真要自行設計“專屬的WLAN”,必須先行克服從射頻實體層至MAC層的通信協議問題。假設他們已經具有很純熟的27MHz無線電傳收機技術,則剩下的就是要解決MAC層的通信協議問題,這主要包含兩個重要的問題:CSMA/CA和回歸(backoff)。當然,除此之外,RTS/CTS流量控制和“分布式協調功能(distributed coordination function;DCF)”,以及更上層的驅動程序、應用軟件、各通信層之間的接口….等,都要嚴格考慮在內。不過,本文將專注于回歸技術的探討。

  碰撞的問題

  當兩臺裝置同時開始傳送數據時,它們將會先檢查纜線中是否有載波存在,若載波有存在,而且纜線是處于閑置狀態,它們就會馬上傳送封包。因為它們所發射的電子信號會彼此干擾,這種干擾會造成“封包碰撞”的結果。碰撞會使封包內的數據混淆不清,致使接收到的封包無法還原成正確的數據。

  雖然,CSMA/CA和回歸都能解決碰撞的問題,不過,在功能上,它們是有差別的。CSMA/CA是一種“競爭”(contention)通信協議,它傾聽WLAN網絡,避免碰撞發生。它和傳統的CSMA/CD(被以太網絡使用)不同,CSMA/CD是在碰撞發生之后,才起來處理后續的傳送作業。CSMA/CA則是防患未然,所以比較有助于網絡通信。因為它在任何真正的數據被傳送之前,會先在網絡上廣播(broadcast)一個信號,傾聽是否有碰撞發生,同時告訴其它裝置不要廣播。

  當發生碰撞時,裝置必須等待一段時間,等纜線恢復閑置時,才能再傳送。不過,若兩個裝置

  同時再次發射信號,則另一個碰撞又將再次發生。為了避免這個情況發生,就必須采用“二進制指數回歸算法”來解決。

  回歸的概念

  在碰撞之后,再次嘗試發射信號之前,每一個傳送裝置必須等待一段時間。不過,如果它們的等待或延遲時間都一樣,則下次還是會有碰撞發生。因此,每個裝置必須選擇一個0到D的隨機數,當成必須等待的時間長度。D是標準的延遲時間值。若又發生碰撞,則每個裝置會將之前所選擇的隨機數大小加倍,這表示現在的隨機延遲時間是在0到2D之間。如果又有另一個碰撞發生,則延遲范圍將在0到4D之間。以此類推。每碰撞一次,隨機延遲時間會以指數增加,所以下次會發生碰撞的機率將會大幅降低,而且重復回歸所花費的時間很短,可以忽略不計。

  802.11的回歸機制

  802.11/DFWMAC的回歸機制和以太網絡的不完全一樣,因為前者還牽涉到DCF。DCF是以CSMA/CA為基礎的通信協議。DFWMAC整合了兩個協調功能—PCF和DCF。PCF支持同步數據傳輸,DCF支持異步數據傳輸。這兩個模式共享媒體頻寬,以多時分工(time-multiplex)的方式,將彼此的數據組合成一個“超大訊框(superframe)”的結構。

  利用訊框之間不同的間距(interframe space;IFS),DCF和PCF可以并存。由于具有PCF的橋接器(AP)的IFS比較小,因此它的通信優先級會比處于DCF模式中的工作站高。所以,AP可以在CSMA/CA網絡上建立一個超大訊框。

  在沒有AP裝置的WLAN網絡環境之中,存取數據要靠DCF。一旦媒體閑置了一段特定的時間(DIFS),并且可以在“競爭窗口”(contention window;CW)的大小范圍內,選擇一個隨機的回歸值當成延遲時間。競爭窗口或回歸時間都是被分割成數個時槽(slot),每個時槽至少要包含:發射機開啟所需的時間+媒體傳播所需的時間+偵測忙碌的媒體所需的時間。每個時槽的大小和實體層非常有關。

  選擇最小延遲時間的工作站,將是最早存取媒體的;其它工作站則暫停它們的回歸定時器,等待別人傳送完畢;而且,在下一個周期內,繼續等待所剩余的延遲時間。通常,已經等待很久的工作站,會比剛加入的工作站,能更早存取媒體。等待的時間愈久,獲得存取權的機率就愈高。碰撞只發生在兩個或更多個工作站選擇了相同的時槽的時候。若持續發生碰撞,它們必須重新競爭,并使用以指數增加的CW值,亦即,2倍的CW、4倍的CW、……,直到最大的CW限制值。

  碰撞機率的分布

  下面我們來探討一下DFWMAC的碰撞機率。不過,不對碰撞問題做完整的數學分析,只針對它的性質,做判定和說明。仔細檢視CW,和從CW選出的一個時槽的機率:假設有許多個工作站一起競奪媒體的存取權,剛開始時,這種設計會使回歸時間的機率函數呈現平均分布,每一個時槽的被選中機率是相同的。

  在第二個周期之內,假設有一個工作站A獲得存取權,其工作站在工作站A開始發射信號之前都會等待或延遲,假設這個延遲時間是CWselected—這就是前面所介紹的“隨機延遲時間”。現在,剩下的“競爭窗口”是從0到CW-CWselected,剩余的工作站(除了工作站A以外的其它工作站)在0到CW-CWselected的范圍內競爭。這范圍內的時槽的被選中機率也是相同的,因為它們是重新進行競爭之故。

  如果這時有一個新工作站加入競爭;或者在前一個周期內,有兩個或以上的工作站發生碰撞,它們將會在CW或2倍的CW或數倍的CW中選擇時槽,它們選擇時槽的機率應該是較小的。直覺上,新進者本來就要等久一點才能獲得存取權;至于發生碰撞的工作站的獲得存取權之機率,應該比新進的工作站的獲得存取權之機率少一半才對。不過為了便于說明,這里將新進的工作站和發生碰撞的工作站視為同類;此時,它們的機率都遠小于其它剩余工作站的機率;而它們的機率的些微差異是可以省略不計的,其中,時槽超過CW-CWselected范圍的被選中機率,遠低于從0到CW-CWselected范圍內的時槽被選中機率。請注意,實際上,新進的和碰撞重來的工作站之時槽被選中機率,占有0到CW-CWselected和CW-CWselected的完整CW范圍。

  假設WLAN處于高負載的情況(一直有工作站離開,也一直有工作站加入競爭,且離開和加入的數量是均衡的),這時,可以發現位于CW前面的時槽(即較早生成的時槽),具有比較高的被選中機率。因此,時槽的被選中機率是一個遞減的階梯函數(staircase function)。

  不過,這會導致一種我們很不想看到的現象:愈可能被選中的時槽,也愈可能被選中兩次或更多次,所以它發生碰撞的機會也愈高。為了盡量避免碰撞的發生,應該使每一個時槽的分布機率維持相等。

  改良的回歸機制

  為了解決上述的問題,有許多方法可以采用。其中一種方法是,令剩余的工作站于每個周期,在完整的CW內,選擇一個新的隨機回歸時間。不過,這可能會造成某一個工作站都一直在等待存取的機會,因為此方法并沒有限制最大的等待時間。底下分別以兩種方法來解決這個問題,它們都企圖將新進的工作站和前一次競爭失敗的(剩余的)工作站之機率區分開來。這兩種方法是:加權的選擇機率、負載自適性(load adaptive)選擇。為了追求精確和精致,必須使用簡要的數學觀念和方程式來說明它們。
 

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