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        WLAN接入機(jī)制優(yōu)化分析與研究

        2018-10-15 08:03:54周奇
        現(xiàn)代計(jì)算機(jī) 2018年24期
        關(guān)鍵詞:計(jì)時(shí)器空閑時(shí)隙

        周奇

        (廣東開放大學(xué)信息與工程學(xué)院,廣州 510091)

        0 引言

        根據(jù)不同QoS服務(wù)需求,IEEE 802.11協(xié)議族提供了不同的方式提供相應(yīng)的接入機(jī)制。EDCA機(jī)制和DCF機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前,分析節(jié)點(diǎn)在一定的競爭窗口CW內(nèi)隨機(jī)均勻選擇退避時(shí)間計(jì)數(shù)器,并啟動退避時(shí)間計(jì)數(shù)器遞減過程。當(dāng)計(jì)數(shù)器遞減到“0”的時(shí)候,分析節(jié)點(diǎn)嘗試進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸。我們對節(jié)點(diǎn)分析傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候發(fā)可能生碰撞,那么分析節(jié)點(diǎn)會增大一倍競爭窗口CW的大小,并啟動退避時(shí)間計(jì)數(shù)器遞減過程。如果數(shù)據(jù)傳輸成功,分析節(jié)點(diǎn)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(jī)制和DCF機(jī)制最主要的差別在于,EDCA機(jī)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(wù)需求:任意幀間隔(Arbitration Interframe Space,AIFS)、傳輸機(jī)會(Transmission Opportuni?ty,TXOP)、最小和最大競爭窗口(CWmin[AC]、CWmax[AC])。

        和DCF機(jī)制相比較,EDCA機(jī)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(diǎn)之間的競爭,簡稱:互競爭;二是相同優(yōu)先等級節(jié)點(diǎn)之間的競爭,簡稱:內(nèi)競爭?;ジ偁幙梢允峭还?jié)點(diǎn)不同業(yè)務(wù)類型之間的競爭,也可以是不同節(jié)點(diǎn)不同業(yè)務(wù)類型之間的競爭。內(nèi)競爭通常是不同節(jié)點(diǎn)之間相同業(yè)務(wù)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(jìn)一步分析優(yōu)化了基于時(shí)隙的分析模型,提出了一些最優(yōu)配置和自適應(yīng)接入機(jī)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(xiàn)中,多個競爭節(jié)點(diǎn)信道時(shí),如果成功傳輸后將重置為會導(dǎo)致信道中碰撞率的增加,影響網(wǎng)絡(luò)性能。提出AEDCF機(jī)制,將碰撞率設(shè)置參數(shù),節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)以自適應(yīng)方式動態(tài)更新并設(shè)置CW值。其中,碰撞率可能在某周期內(nèi)沖突相應(yīng)的數(shù)量和相應(yīng)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(luò)中的節(jié)點(diǎn)碰撞的相關(guān)狀況,其值定義為:

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

        式(3)可以得出業(yè)務(wù)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(wù)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(wù)失敗時(shí),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(wù)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(jī)制)

        我們在競爭的MAC機(jī)制中,為了獲得更高吞量,可以歸納以下幾點(diǎn):

        (1)為了避免降低競爭周期中的平均空閑時(shí)隙數(shù),可以使用設(shè)備較小的退避隨機(jī)計(jì)時(shí)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(yīng)的幀節(jié)點(diǎn)的發(fā)生的退避隨機(jī)計(jì)時(shí)器。

        (3)快速調(diào)整退避隨機(jī)計(jì)時(shí)器相應(yīng)的值,數(shù)據(jù)幀傳輸成功后,需降低退避計(jì)時(shí)器,若節(jié)點(diǎn)推遲傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀,此時(shí)需加大退避計(jì)時(shí)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(yīng)并測試某一段連續(xù)的空閑時(shí)隙,應(yīng)當(dāng)使其指數(shù)減小退避計(jì)時(shí)器以降低平均空閑時(shí)隙。

        通過以上分析,我們給出了FCR機(jī)制,在這種機(jī)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(fèi)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(yīng)并測試到某一段連續(xù)空閑時(shí)隙時(shí)加快降低其相應(yīng)的退避計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)器(BT)減1,如果此值為0時(shí),隊(duì)列中的數(shù)據(jù)幀開始傳輸相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。如果是連續(xù)的[(CWmin+1)×2-1]個空閑時(shí)隙,應(yīng)該加速降低退避計(jì)時(shí)器相應(yīng)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(shí)隙的浪費(fèi),可以高效回收信道。

        (2)傳輸失?。喝绻l(fā)生數(shù)據(jù)幀沖突同時(shí)出現(xiàn)可能的傳輸不成功,我們要增大競爭窗口并重新計(jì)算隨機(jī)退避計(jì)時(shí)器值。如:

        (3)傳輸成功:數(shù)據(jù)成功傳輸數(shù)據(jù)相應(yīng)幀后,使其窗口值重置為其最小競爭窗口CWmin并設(shè)置退避計(jì)時(shí)器計(jì)算相應(yīng)的值。即:

        (4)傳輸推遲:如果信道被占用時(shí),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(shí),須加大競爭窗口并開始重新設(shè)置并計(jì)算退避計(jì)時(shí)器的值。即:

        我們分析了相應(yīng)的方法并進(jìn)行了改進(jìn),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(jì)算退避計(jì)時(shí)器當(dāng)其數(shù)據(jù)幀沖突的時(shí)候,并重新設(shè)置相應(yīng)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(diǎn)快速、高效地解決相應(yīng)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(xiàn)[2]中表述并得出一種自適應(yīng)公平EDCF機(jī)制,我們認(rèn)為,為了減少數(shù)據(jù)幀沖突和對空閑時(shí)隙的浪費(fèi)可能導(dǎo)致協(xié)議性能的下降。所以我們提出了AFEDCF機(jī)制,相關(guān)表述如下:

        (1)計(jì)時(shí)器退避減少:在原IEEE 802.11e機(jī)制中,如果發(fā)現(xiàn)有空閑信道,檢測相應(yīng)節(jié)點(diǎn),將它們的退避計(jì)時(shí)器減少一個時(shí)隙的時(shí)間,即BTnew[ACi]=BTold[ACi]-ST。我們在AFEDCF的退避計(jì)時(shí)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(shí)隙Bof_Th[ACi],將降低避計(jì)時(shí)器。當(dāng)其達(dá)到0時(shí),傳送報(bào)報(bào)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(shè)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(yīng)數(shù)據(jù)幀后,我們還是以IEEE 802.11e中的機(jī)制將當(dāng)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(luò)中浪費(fèi)空閑時(shí)隙,使用自適應(yīng)可以快速降低計(jì)時(shí)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(duì)列的CW參數(shù)計(jì)算進(jìn)行動態(tài)調(diào)整,同時(shí)注意,此方案一般用在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不大的情況下,且存在連續(xù)空閑時(shí)隙,在這種情況下,可以保證相同優(yōu)先級的公平性。

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