WLAN接入机制优化分析与研究

周奇

（广东开放大学信息与工程学院，广州 510091）

0 引言

根据不同QoS服务需求，IEEE 802.11协议族提供了不同的方式提供相应的接入机制。EDCA机制和DCF机制[1]有类似的基本接入过程和接入参数调整规则。在进行数据传输前，分析节点在一定的竞争窗口CW内随机均匀选择退避时间计数器，并启动退避时间计数器递减过程。当计数器递减到“0”的时候，分析节点尝试进行一次数据传输。我们对节点分析传输数据的时候发可能生碰撞，那么分析节点会增大一倍竞争窗口CW的大小，并启动退避时间计数器递减过程。如果数据传输成功，分析节点则重置竞争窗口CW为最小数值并开始一次新的数据传输。

EDCA机制和DCF机制最主要的差别在于，EDCA机制[1]针对每一种接入类别，提供了一套接入参数用于支持QoS服务需求：任意帧间隔（Arbitration Interframe Space，AIFS）、传输机会（Transmission Opportuni⁃ty，TXOP）、最小和最大竞争窗口（CWmin[AC]、CWmax[AC]）。

和DCF机制相比较，EDCA机制中存在两个主要竞争关系：一是不同优先等级节点之间的竞争，简称：互竞争；二是相同优先等级节点之间的竞争，简称：内竞争。互竞争可以是同一节点不同业务类型之间的竞争，也可以是不同节点不同业务类型之间的竞争。内竞争通常是不同节点之间相同业务之间的信道竞争。

基于退避调整规则和不同的帧间隔，Xiao提出一种新优先级分类的方法，进一步分析优化了基于时隙的分析模型，提出了一些最优配置和自适应接入机制，这些方法主要在IEEE 802.11e基础上提供支持QoS需求。

1 AEDCF（Adaptive EDCF）

在LamiaRomdhani文献中，多个竞争节点信道时，如果成功传输后将重置为会导致信道中碰撞率的增加，影响网络性能。提出AEDCF机制，将碰撞率设置参数，节点业务以自适应方式动态更新并设置CW值。其中，碰撞率可能在某周期内冲突相应的数量和相应的发包总数用比值表示，可以呈现一个分布式网络中的节点碰撞的相关状况，其值定义为：

在不同业务在变更CW值的情况下，还可以使不同业务类别间的优先级关不变，而对CW做出相应调整，可以用 MF（Multiplicator Factor），乘数因子MF相关的i类业务的定义为：

式（3）可以得出业务高的优先使用相对小的MF值调整CW。

（1）AEDCF的中，i类业务如果传送成功数据帧后，并不是简单的将CW[ACi]重置为CWmin[ACi]，如下：

式(4)保证了CW[ACi]优先级一直大于等于且保持CWmin[ACi]。

（2）如果i类业务失败时，不会像EDCA中避更CW[ACi]，以 IEEE 802.11e旧版本（PF，Persistence Fac⁃tor）来调整CW的值，来确保业务拥有较小的较高优先级PF[ACi]，使其降底新冲突的概率，所以这样起到减少延迟：

2 FCR（碰撞快速解决机制）

我们在竞争的MAC机制中，为了获得更高吞量，可以归纳以下几点：

（1）为了避免降低竞争周期中的平均空闲时隙数，可以使用设备较小的退避随机计时器，前提是在竞争周期内且传输成功。

（2）为了降低碰撞几率并避免可能会延迟相应的帧节点的发生的退避随机计时器。

（3）快速调整退避随机计时器相应的值，数据帧传输成功后，需降低退避计时器，若节点推迟传输相应的数据帧，此时需加大退避计时器，这样就能减少未来的碰撞概率。注意，如果在此过程中没能感应并测试某一段连续的空闲时隙，应当使其指数减小退避计时器以降低平均空闲时隙。

通过以上分析，我们给出了FCR机制，在这种机制下，可以更好地解决相互碰撞的概率问题，并在竞争周期中浪费空闲相关问题。我们将其分为三个部分：成功传输数据帧状态、碰撞和传输推迟状态。另外，与IEEE 802.11eMAC相比，我们使用较小原始竞争窗口CWmin和较大的窗口竞争CWmax，如果感应并测试到某一段连续空闲时隙时加快降低其相应的退避计时器的值。FCR总结如下：

（1）退避情况下：信道被监听，如果空闲则使退避计时器（BT）减1，如果此值为0时，队列中的数据帧开始传输相应的节点。如果是连续的[(CWmin+1)×2-1]个空闲时隙，应该加速降低退避计时器相应的值。如，BTnew=BTold/2，若BTnew＜aSlotTime则BTnew=0。

从以上分析来看，在此情况下，在成功处理完成后，这样可以降低空闲时隙的浪费，可以高效回收信道。

（2）传输失败：如果发生数据帧冲突同时出现可能的传输不成功，我们要增大竞争窗口并重新计算随机退避计时器值。如：

（3）传输成功：数据成功传输数据相应帧后，使其窗口值重置为其最小竞争窗口CWmin并设置退避计时器计算相应的值。即：

（4）传输推迟：如果信道被占用时，可以肯定冲突正在发生，或正在处理传输数据帧。此时，须加大竞争窗口并开始重新设置并计算退避计时器的值。即：

我们分析了相应的方法并进行了改进，可以看出我们的处理能比原MAC提供更高的信道利用率和更高的吞吐量。在FCR中，我们重新计算退避计时器当其数据帧冲突的时候，并重新设置相应的值，可以降低并减少冲突概率。通过这种方式，能使绝大多数节点快速、高效地解决相应的碰撞问题，但不能保证竞争占有信道公平性。

3 AFEDCF（Adaptive Fair EDCF）

Mohammad Malli在文献[2]中表述并得出一种自适应公平EDCF机制，我们认为，为了减少数据帧冲突和对空闲时隙的浪费可能导致协议性能的下降。所以我们提出了AFEDCF机制，相关表述如下：

（1）计时器退避减少：在原IEEE 802.11e机制中，如果发现有空闲信道，检测相应节点，将它们的退避计时器减少一个时隙的时间，即BTnew[ACi]=BTold[ACi]-ST。我们在AFEDCF的退避计时器将剩余的值小于等于退避阈值（Backoff Threshold），若测试到某段连续的空闲时隙Bof_Th[ACi]，将降低避计时器。当其达到0时，传送报报文。即：

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

（2）数据帧冲突状态：数据帧冲突并可能使其传送失败，可以修改：

①设置竞争窗口值CW[ACi]加倍：

②使用式（7）更新其BT[ACi]：

③使用式（8）减小其Bof_Th[ACi]值：

（3）成功传送数据帧：如果成功传送相应数据帧后，我们还是以IEEE 802.11e中的机制将当前竞争窗口值CW[ACi]重置为CWmin[ACi]，但要根据式（7）和式（8）更新其BT[ACi]和Bof_Th[ACi]值。

通过以上分析，为了减少网络中浪费空闲时隙，使用自适应可以快速降低计时器的值，可以调协使用退避阈值Bof_Th[ACi]由不同优先级队列的CW参数计算进行动态调整，同时注意，此方案一般用在网络负载不大的情况下，且存在连续空闲时隙，在这种情况下，可以保证相同优先级的公平性。