WLAN芯片的指數(shù)回歸技術(shù)

當(dāng)802.11 WLAN網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)個(gè)裝置同時(shí)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，由于頻寬的限制，會(huì)發(fā)生“封包碰撞”(collision)的情況。一般以太網(wǎng)絡(luò)是使用“指數(shù)回歸算法”(exponential backoff algorithm)來(lái)解決這種問(wèn)題，而802.11標(biāo)準(zhǔn)也不例外。802.11的MAC標(biāo)準(zhǔn)稱作“分布式基礎(chǔ)無(wú)線媒體擷取控制”(distributed foundation wireless MAC;DFWMAC)。

如果真要自行設(shè)計(jì)“專(zhuān)屬的WLAN”，必須先行克服從射頻實(shí)體層至MAC層的通信協(xié)議問(wèn)題。假設(shè)他們已經(jīng)具有很純熟的27MHz無(wú)線電傳收機(jī)技術(shù)，則剩下的就是要解決MAC層的通信協(xié)議問(wèn)題，這主要包含兩個(gè)重要的問(wèn)題：CSMA/CA和回歸(backoff)。當(dāng)然，除此之外，RTS/CTS流量控制和“分布式協(xié)調(diào)功能(distributed coordination function;DCF)”，以及更上層的驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件、各通信層之間的接口….等，都要嚴(yán)格考慮在內(nèi)。不過(guò)，本文將專(zhuān)注于回歸技術(shù)的探討。

碰撞的問(wèn)題

當(dāng)兩臺(tái)裝置同時(shí)開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)時(shí)，它們將會(huì)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(tài)，它們就會(huì)馬上傳送封包。因?yàn)樗鼈兯�發(fā)射的電子信號(hào)會(huì)彼此干擾，這種干擾會(huì)造成“封包碰撞”的結(jié)果。碰撞會(huì)使封包內(nèi)的數(shù)據(jù)混淆不清，致使接收到的封包無(wú)法還原成正確的數(shù)據(jù)。

雖然，CSMA/CA和回歸都能解決碰撞的問(wèn)題，不過(guò)，在功能上，它們是有差別的。CSMA/CA是一種“競(jìng)爭(zhēng)”(contention)通信協(xié)議，它傾聽(tīng)WLAN網(wǎng)絡(luò)，避免碰撞發(fā)生。它和傳統(tǒng)的CSMA/CD(被以太網(wǎng)絡(luò)使用)不同，CSMA/CD是在碰撞發(fā)生之后，才起來(lái)處理后續(xù)的傳送作業(yè)。CSMA/CA則是防患未然，所以比較有助于網(wǎng)絡(luò)通信。因?yàn)樗�在任何真正的�?shù)據(jù)被傳送之前，會(huì)先在網(wǎng)絡(luò)上廣播(broadcast)一個(gè)信號(hào)，傾聽(tīng)是否有碰撞發(fā)生，同時(shí)告訴其它裝置不要廣播。

當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，裝置必須等待一段時(shí)間，等纜線恢復(fù)閑置時(shí)，才能再傳送。不過(guò)，若兩個(gè)裝置

同時(shí)再次發(fā)射信號(hào)，則另一個(gè)碰撞又將再次發(fā)生。為了避免這個(gè)情況發(fā)生，就必須采用“二進(jìn)制指數(shù)回歸算法”來(lái)解決。

回歸的概念

在碰撞之后，再次嘗試發(fā)射信號(hào)之前，每一個(gè)傳送裝置必須等待一段時(shí)間。不過(guò)，如果它們的等待或延遲時(shí)間都一樣，則下次還是會(huì)有碰撞發(fā)生。因此，每個(gè)裝置必須選擇一個(gè)0到D的隨機(jī)數(shù)，當(dāng)成必須等待的時(shí)間長(zhǎng)度。D是標(biāo)準(zhǔn)的延遲時(shí)間值。若又發(fā)生碰撞，則每個(gè)裝置會(huì)將之前所選擇的隨機(jī)數(shù)大小加倍，這表示現(xiàn)在的隨機(jī)延遲時(shí)間是在0到2D之間。如果又有另一個(gè)碰撞發(fā)生，則延遲范圍將在0到4D之間。以此類(lèi)推。每碰撞一次，隨機(jī)延遲時(shí)間會(huì)以指數(shù)增加，所以下次會(huì)發(fā)生碰撞的機(jī)率將會(huì)大幅降低，而且重復(fù)回歸所花費(fèi)的時(shí)間很短，可以忽略不計(jì)。

802.11的回歸機(jī)制

802.11/DFWMAC的回歸機(jī)制和以太網(wǎng)絡(luò)的不完全一樣，因?yàn)榍罢哌�牽涉到DCF。DCF是以CSMA/CA為基礎(chǔ)的通信協(xié)議。DFWMAC整合了兩個(gè)協(xié)調(diào)功能—PCF和DCF。PCF支持同步數(shù)據(jù)傳輸，DCF支持異步數(shù)據(jù)傳輸。這兩個(gè)模式共享媒體頻寬，以多時(shí)分工(time-multiplex)的方式，將彼此的數(shù)據(jù)組合成一個(gè)“超大訊框(superframe)”的結(jié)構(gòu)。

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(yōu)先級(jí)會(huì)比處于DCF模式中的工作站高。所以，AP可以在CSMA/CA網(wǎng)絡(luò)上建立一個(gè)超大訊框。

在沒(méi)有AP裝置的WLAN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之中，存取數(shù)據(jù)要靠DCF。一旦媒體閑置了一段特定的時(shí)間(DIFS)，并且可以在“競(jìng)爭(zhēng)窗口”(contention window;CW)的大小范圍內(nèi)，選擇一個(gè)隨機(jī)的回歸值當(dāng)成延遲時(shí)間。競(jìng)爭(zhēng)窗口或回歸時(shí)間都是被分割成數(shù)個(gè)時(shí)槽(slot)，每個(gè)時(shí)槽至少要包含：發(fā)射機(jī)開(kāi)啟所需的時(shí)間+媒體傳播所需的時(shí)間+偵測(cè)忙碌的媒體所需的時(shí)間。每個(gè)時(shí)槽的大小和實(shí)體層非常有關(guān)。

選擇最小延遲時(shí)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(shí)器，等待別人傳送完畢;而且，在下一個(gè)周期內(nèi)，繼續(xù)等待所剩余的延遲時(shí)間。通常，已經(jīng)等待很久的工作站，會(huì)比剛加入的工作站，能更早存取媒體。等待的時(shí)間愈久，獲得存取權(quán)的機(jī)率就愈高。碰撞只發(fā)生在兩個(gè)或更多個(gè)工作站選擇了相同的時(shí)槽的時(shí)候。若持續(xù)發(fā)生碰撞，它們必須重新競(jìng)爭(zhēng)，并使用以指數(shù)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(jī)率的分布

下面我們來(lái)探討一下DFWMAC的碰撞機(jī)率。不過(guò)，不對(duì)碰撞問(wèn)題做完整的數(shù)學(xué)分析，只針對(duì)它的性質(zhì)，做判定和說(shuō)明。仔細(xì)檢視CW，和從CW選出的一個(gè)時(shí)槽的機(jī)率：假設(shè)有許多個(gè)工作站一起競(jìng)奪媒體的存取權(quán)，剛開(kāi)始時(shí)，這種設(shè)計(jì)會(huì)使回歸時(shí)間的機(jī)率函數(shù)呈現(xiàn)平均分布，每一個(gè)時(shí)槽的被選中機(jī)率是相同的。

在第二個(gè)周期之內(nèi)，假設(shè)有一個(gè)工作站A獲得存取權(quán)，其工作站在工作站A開(kāi)始發(fā)射信號(hào)之前都會(huì)等待或延遲，假設(shè)這個(gè)延遲時(shí)間是CWselected—這就是前面所介紹的“隨機(jī)延遲時(shí)間”�，F(xiàn)在，剩下的“競(jìng)爭(zhēng)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(nèi)競(jìng)爭(zhēng)。這范圍內(nèi)的時(shí)槽的被選中機(jī)率也是相同的，因?yàn)樗鼈兪侵匦逻M(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)之故。

如果這時(shí)有一個(gè)新工作站加入競(jìng)爭(zhēng);或者在前一個(gè)周期內(nèi)，有兩個(gè)或以上的工作站發(fā)生碰撞，它們將會(huì)在CW或2倍的CW或數(shù)倍的CW中選擇時(shí)槽，它們選擇時(shí)槽的機(jī)率應(yīng)該是較小的。直覺(jué)上，新進(jìn)者本來(lái)就要等久一點(diǎn)才能獲得存取權(quán);至于發(fā)生碰撞的工作站的獲得存取權(quán)之機(jī)率，應(yīng)該比新進(jìn)的工作站的獲得存取權(quán)之機(jī)率少一半才對(duì)。不過(guò)為了便于說(shuō)明，這里將新進(jìn)的工作站和發(fā)生碰撞的工作站視為同類(lèi);此時(shí)，它們的機(jī)率都遠(yuǎn)小于其它剩余工作站的機(jī)率;而它們的機(jī)率的些微差異是可以省略不計(jì)的，其中，時(shí)槽超過(guò)CW-CWselected范圍的被選中機(jī)率，遠(yuǎn)低于從0到CW-CWselected范圍內(nèi)的時(shí)槽被選中機(jī)率。請(qǐng)注意，實(shí)際上，新進(jìn)的和碰撞重來(lái)的工作站之時(shí)槽被選中機(jī)率，占有0到CW-CWselected和CW-CWselected的完整CW范圍。

假設(shè)WLAN處于高負(fù)載的情況(一直有工作站離開(kāi)，也一直有工作站加入競(jìng)爭(zhēng)，且離開(kāi)和加入的數(shù)量是均衡的)，這時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)位于CW前面的時(shí)槽(即較早生成的時(shí)槽)，具有比較高的被選中機(jī)率。因此，時(shí)槽的被選中機(jī)率是一個(gè)遞減的階梯函數(shù)(staircase function)。

不過(guò)，這會(huì)導(dǎo)致一種我們很不想看到的現(xiàn)象：愈可能被選中的時(shí)槽，也愈可能被選中兩次或更多次，所以它發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)也愈高。為了盡量避免碰撞的發(fā)生，應(yīng)該使每一個(gè)時(shí)槽的分布機(jī)率維持相等。

改良的回歸機(jī)制

為了解決上述的問(wèn)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(gè)周期，在完整的CW內(nèi)，選擇一個(gè)新的隨機(jī)回歸時(shí)間。不過(guò)，這可能會(huì)造成某一個(gè)工作站都一直在等待存取的機(jī)會(huì)，因?yàn)榇朔椒ú�沒(méi)有限制最大的等待時(shí)間。底下分別以兩種方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，它們都企圖將新進(jìn)的工作站和前一次競(jìng)爭(zhēng)失敗的(剩余的)工作站之機(jī)率區(qū)分開(kāi)來(lái)。這兩種方法是：加權(quán)的選擇機(jī)率、負(fù)載自適性(load adaptive)選擇。為了追求精確和精致，必須使用簡(jiǎn)要的數(shù)學(xué)觀念和方程式來(lái)說(shuō)明它們。

作者：Spring 來(lái)源：電子發(fā)燒友