WLAN接入機制優化分析與研究

周奇

（廣東開放大學信息與工程學院，廣州 510091）

0 引言

根據不同QoS服務需求，IEEE 802.11協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參數調整規則。在進行數據傳輸前，分析節點在一定的競爭窗口CW內隨機均勻選擇退避時間計數器，并啟動退避時間計數器遞減過程。當計數器遞減到“0”的時候，分析節點嘗試進行一次數據傳輸。我們對節點分析傳輸數據的時候發可能生碰撞，那么分析節點會增大一倍競爭窗口CW的大小，并啟動退避時間計數器遞減過程。如果數據傳輸成功，分析節點則重置競爭窗口CW為最小數值并開始一次新的數據傳輸。

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，提供了一套接入參數用于支持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系：一是不同優先等級節點之間的競爭，簡稱：互競爭；二是相同優先等級節點之間的競爭，簡稱：內競爭。互競爭可以是同一節點不同業務類型之間的競爭，也可以是不同節點不同業務類型之間的競爭。內競爭通常是不同節點之間相同業務之間的信道競爭。

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

1 AEDCF（Adaptive EDCF）

在LamiaRomdhani文獻中，多個競爭節點信道時，如果成功傳輸后將重置為會導致信道中碰撞率的增加，影響網絡性能。提出AEDCF機制，將碰撞率設置參數，節點業務以自適應方式動態更新并設置CW值。其中，碰撞率可能在某周期內沖突相應的數量和相應的發包總數用比值表示，可以呈現一個分布式網絡中的節點碰撞的相關狀況，其值定義為：

在不同業務在變更CW值的情況下，還可以使不同業務類別間的優先級關不變，而對CW做出相應調整，可以用 MF（Multiplicator Factor），乘數因子MF相關的i類業務的定義為：

式（3）可以得出業務高的優先使用相對小的MF值調整CW。

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

式(4)保證了CW[ACi]優先級一直大于等于且保持CWmin[ACi]。

（2）如果i類業務失敗時，不會像EDCA中避更CW[ACi]，以 IEEE 802.11e舊版本（PF，Persistence Fac?tor）來調整CW的值，來確保業務擁有較小的較高優先級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，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點的發生的退避隨機計時器。

（3）快速調整退避隨機計時器相應的值，數據幀傳輸成功后，需降低退避計時器，若節點推遲傳輸相應的數據幀，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的空閑時隙，應當使其指數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問題。我們將其分為三個部分：成功傳輸數據幀狀態、碰撞和傳輸推遲狀態。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空閑時隙時加快降低其相應的退避計時器的值。FCR總結如下：

（1）退避情況下：信道被監聽，如果空閑則使退避計時器（BT）減1，如果此值為0時，隊列中的數據幀開始傳輸相應的節點。如果是連續的[(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?。喝绻l生數據幀沖突同時出現可能的傳輸不成功，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：數據成功傳輸數據相應幀后，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生，或正在處理傳輸數據幀。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據幀沖突的時候，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，能使絕大多數節點快速、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，為了減少數據幀沖突和對空閑時隙的浪費可能導致協議性能的下降。所以我們提出了AFEDCF機制，相關表述如下：

（1）計時器退避減少：在原IEEE 802.11e機制中，如果發現有空閑信道，檢測相應節點，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）數據幀沖突狀態：數據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）成功傳送數據幀：如果成功傳送相應數據幀后，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，可以調協使用退避閾值Bof_Th[ACi]由不同優先級隊列的CW參數計算進行動態調整，同時注意，此方案一般用在網絡負載不大的情況下，且存在連續空閑時隙，在這種情況下，可以保證相同優先級的公平性。