WLAN芯片的指数回归技术 - 全文

　　当802.11 WLAN网络上的数个装置同时传送数据时，由于频宽的限制，会发生“封包碰撞”(collision)的情况。一般以太网络是使用“指数回归算法”(exponential backoff algorithm)来解决这种问题，而802.11标准也不例外。802.11的MAC标准称作“分布式基础无线媒体撷取控制”(distributed foundation wireless MAC;DFWMAC)。

　　如果真要自行设计“专属的WLAN”，必须先行克服从射频实体层至MAC层的通信协议问题。假设他们已经具有很纯熟的27MHz无线电传收机技术，则剩下的就是要解决MAC层的通信协议问题，这主要包含两个重要的问题：CSMA/CA和回归(backoff)。当然，除此之外，RTS/CTS流量控制和“分布式协调功能(distributed coordination function;DCF)”，以及更上层的驱动程序、应用软件、各通信层之间的接口….等，都要严格考虑在内。不过，本文将专注于回归技术的探讨。

　　碰撞的问题

　　当两台装置同时开始传送数据时，它们将会先检查缆线中是否有载波存在，若载波有存在，而且缆线是处于闲置状态，它们就会马上传送封包。因为它们所发射的电子信号会彼此干扰，这种干扰会造成“封包碰撞”的结果。碰撞会使封包内的数据混淆不清，致使接收到的封包无法还原成正确的数据。

　　虽然，CSMA/CA和回归都能解决碰撞的问题，不过，在功能上，它们是有差别的。CSMA/CA是一种“竞争”(contention)通信协议，它倾听WLAN网络，避免碰撞发生。它和传统的CSMA/CD(被以太网络使用)不同，CSMA/CD是在碰撞发生之后，才起来处理后续的传送作业。CSMA/CA则是防患未然，所以比较有助于网络通信。因为它在任何真正的数据被传送之前，会先在网络上广播(broadcast)一个信号，倾听是否有碰撞发生，同时告诉其它装置不要广播。

　　当发生碰撞时，装置必须等待一段时间，等缆线恢复闲置时，才能再传送。不过，若两个装置

　　同时再次发射信号，则另一个碰撞又将再次发生。为了避免这个情况发生，就必须采用“二进制指数回归算法”来解决。

　　回归的概念

　　在碰撞之后，再次尝试发射信号之前，每一个传送装置必须等待一段时间。不过，如果它们的等待或延迟时间都一样，则下次还是会有碰撞发生。因此，每个装置必须选择一个0到D的随机数，当成必须等待的时间长度。D是标准的延迟时间值。若又发生碰撞，则每个装置会将之前所选择的随机数大小加倍，这表示现在的随机延迟时间是在0到2D之间。如果又有另一个碰撞发生，则延迟范围将在0到4D之间。以此类推。每碰撞一次，随机延迟时间会以指数增加，所以下次会发生碰撞的机率将会大幅降低，而且重复回归所花费的时间很短，可以忽略不计。

　　802.11的回归机制

　　802.11/DFWMAC的回归机制和以太网络的不完全一样，因为前者还牵涉到DCF。DCF是以CSMA/CA为基础的通信协议。DFWMAC整合了两个协调功能—PCF和DCF。PCF支持同步数据传输，DCF支持异步数据传输。这两个模式共享媒体频宽，以多时分工(time-multiplex)的方式，将彼此的数据组合成一个“超大讯框(superframe)”的结构。

　　利用讯框之间不同的间距(interframe space;IFS)，DCF和PCF可以并存。由于具有PCF的桥接器(AP)的IFS比较小，因此它的通信优先级会比处于DCF模式中的工作站高。所以，AP可以在CSMA/CA网络上建立一个超大讯框。

　　在没有AP装置的WLAN网络环境之中，存取数据要靠DCF。一旦媒体闲置了一段特定的时间(DIFS)，并且可以在“竞争窗口”(contention window;CW)的大小范围内，选择一个随机的回归值当成延迟时间。竞争窗口或回归时间都是被分割成数个时槽(slot)，每个时槽至少要包含：发射机开启所需的时间+媒体传播所需的时间+侦测忙碌的媒体所需的时间。每个时槽的大小和实体层非常有关。

　　选择最小延迟时间的工作站，将是最早存取媒体的;其它工作站则暂停它们的回归定时器，等待别人传送完毕;而且，在下一个周期内，继续等待所剩余的延迟时间。通常，已经等待很久的工作站，会比刚加入的工作站，能更早存取媒体。等待的时间愈久，获得存取权的机率就愈高。碰撞只发生在两个或更多个工作站选择了相同的时槽的时候。若持续发生碰撞，它们必须重新竞争，并使用以指数增加的CW值，亦即，2倍的CW、4倍的CW、……，直到最大的CW限制值。

　　碰撞机率的分布

　　下面我们来探讨一下DFWMAC的碰撞机率。不过，不对碰撞问题做完整的数学分析，只针对它的性质，做判定和说明。仔细检视CW，和从CW选出的一个时槽的机率：假设有许多个工作站一起竞夺媒体的存取权，刚开始时，这种设计会使回归时间的机率函数呈现平均分布，每一个时槽的被选中机率是相同的。

　　在第二个周期之内，假设有一个工作站A获得存取权，其工作站在工作站A开始发射信号之前都会等待或延迟，假设这个延迟时间是CWselected—这就是前面所介绍的“随机延迟时间”。现在，剩下的“竞争窗口”是从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的范围内竞争。这范围内的时槽的被选中机率也是相同的，因为它们是重新进行竞争之故。

　　如果这时有一个新工作站加入竞争;或者在前一个周期内，有两个或以上的工作站发生碰撞，它们将会在CW或2倍的CW或数倍的CW中选择时槽，它们选择时槽的机率应该是较小的。直觉上，新进者本来就要等久一点才能获得存取权;至于发生碰撞的工作站的获得存取权之机率，应该比新进的工作站的获得存取权之机率少一半才对。不过为了便于说明，这里将新进的工作站和发生碰撞的工作站视为同类;此时，它们的机率都远小于其它剩余工作站的机率;而它们的机率的些微差异是可以省略不计的，其中，时槽超过CW-CWselected范围的被选中机率，远低于从0到CW-CWselected范围内的时槽被选中机率。请注意，实际上，新进的和碰撞重来的工作站之时槽被选中机率，占有0到CW-CWselected和CW-CWselected的完整CW范围。

　　假设WLAN处于高负载的情况(一直有工作站离开，也一直有工作站加入竞争，且离开和加入的数量是均衡的)，这时，可以发现位于CW前面的时槽(即较早生成的时槽)，具有比较高的被选中机率。因此，时槽的被选中机率是一个递减的阶梯函数(staircase function)。

　　不过，这会导致一种我们很不想看到的现象：愈可能被选中的时槽，也愈可能被选中两次或更多次，所以它发生碰撞的机会也愈高。为了尽量避免碰撞的发生，应该使每一个时槽的分布机率维持相等。

　　改良的回归机制

　　为了解决上述的问题，有许多方法可以采用。其中一种方法是，令剩余的工作站于每个周期，在完整的CW内，选择一个新的随机回归时间。不过，这可能会造成某一个工作站都一直在等待存取的机会，因为此方法并没有限制最大的等待时间。底下分别以两种方法来解决这个问题，它们都企图将新进的工作站和前一次竞争失败的(剩余的)工作站之机率区分开来。这两种方法是：加权的选择机率、负载自适性(load adaptive)选择。为了追求精确和精致，必须使用简要的数学观念和方程式来说明它们。