工作站机率发生WLAN芯片的指数回归技术

WLAN芯片的指数回归技术

时间:2011年12月02日
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 传感器固态美元传感器和致动器正成为元器件市场新热芯片手机多媒体展讯推出新款多媒体手机核心芯片江阴资金国民CCTV《交易时间》:国民技术冰火两重天三星美国功率放大器三星LTE手机Craft采用Skyworks功率放大器苹果材质台湾电子下午茶:2010十大本土IC设计公司及点评透镜液晶面板影像TMD展出支持裸眼3D显示的3英寸OCB方式液晶面板电功率温度传感器硅片IMEC推出输出功率破记录的压电能量采集机转换器电压电流Diodes推出高效同步DC-DC转换器系列衬底产业技术衬底技术进步快 集成创新成LED产业发展重点

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。

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