TWI458379B

TWI458379B - 提高通道重載傳輸效率之載波檢測多路存取／碰撞避免協定的延後競爭退讓方法

Info

Publication number: TWI458379B
Application number: TW099119255A
Authority: TW
Inventors: Yaw Wen Kuo; wei fu Lu
Original assignee: Univ Nat Chi Nan
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2014-10-21
Also published as: TW201146065A

Description

提高通道重載傳輸效率之載波檢測多路存取/碰撞避免協定的延後競爭退讓方法

本發明係關於一種無線媒介存取控制(MAC)方法，尤指一種提高通道重載傳輸效率之載波檢測多路存取/碰撞避免協定的延後競爭退讓方法。

無線區域網路係指不使用實體線路所構成的區域網路，目前大部分的無線區域網路技術係使用無線電波為傳輸媒介而構成一個無線通訊網路。

請參閱圖1所示，係為一無線區域網路系統的系統架構圖，其主要由至少一無線存取點(AP)10以及至少一行動站台(MS)20所構成，其中行動站台概如個人數位助理(PDA)、筆記型電腦等。於無線區域網路系統中，無線存取點與各行動站台係利用無線通道加以連結以進行通訊，至於連線方式則如參考文獻[1]([1]：IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks-Specific requirements-“Part 11：Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications,”2007.)加以制定。在IEEE所定義的802.11無線區域網路標準下，其制定之規範能夠使得無線存取點與各行動站台互相聯繫、溝通，並快速地交換資料、數據、檔案與影音訊息。

以下進一步說明，於無線區域網路系統中複數行動站台20相互進行資料傳送的方式。由於各行動站台20都是經由一無線媒體來傳送資料，故各個網路成員間勢必要遵守相同協定以協調各個網路成員對此媒體的存取。一般IEEE802.11無線區域網路標準下的無線網路在媒體存取控制(MAC)所使用的存取模式為分散式協調功能(DCF)，於分散式協調功能下各個行動站台20會根據一載波檢測多路存取/碰撞避免(CSMA/CA)協定來存取該無線媒體。當一行動站台20A發送資料前會先偵測目前該無線媒體是否閒置(idle)，意即先偵測是否已經有其他行動站台20使用該無線媒體傳送資料，若該無線媒體為閒置狀態，則該行動站台20A係隨機選定一退讓(backoff)時間開始進行倒數計時並持續偵測無線媒體，於該退讓時間倒數結束時，若該無線媒體仍然閒置，代表該行動站台20A有權存取該無線媒體，故可開始發出其訊框(frame)。反之，若該行動站台20A在倒數結束之前該無線媒體已被佔用，意即有其他無線通訊裝置已開始發送訊框，則該行動站台20A就會凍結其倒數計時，一但該行動站台20A再次偵測到該無線媒體處於閒置狀態，該行動站台20A就會再度開始進行退讓時間的倒數，以持續爭取該無線媒體的存取權。

請參閱圖9及圖10所示，以下進一步說明目前IEEE802.11無線區域網路標準採用之分散式協調功能，其係為二元指數退讓方法(BEB)，其包含下列步驟：準備傳送資料201；設定競爭視窗參數初始值202，將一競爭視窗參數CW設為一最小競爭視窗參數CWmin；選取一退讓時間B203，係令一無線通訊裝置於[0,CW-1]區間之中根據均勻分布隨機選取B，其中該無線通訊裝置可為該無線存取點10或前述的行動站台20；倒數B204，令該無線通訊裝置於閒置經過一時槽(slot，即無線網路的退讓單位)時，減少一單位的B；開始傳送資料205，令該無線通訊裝置於B減至零單位時後即開始傳送該筆資料；判斷資料是否傳送成功206，令該無線通訊裝置判斷此筆資料是否傳送成功，若成功則結束資料傳送207並回到準備傳送資料步驟201以傳送下一筆資料，若失敗則進行下一步驟；判斷失敗次數是否超過一預定重傳次數R208，若失敗次數超過R則丟棄該筆資料209，並重新執行準備傳送資料步驟201以進行下一筆資料的傳送，若失敗次數尚未超過R則進行下一步驟；判斷CW是否等於一最大競爭視窗參數CWmax210，若CW等於CWmax則回到前述的選取退讓時間步驟203，若CW不等於CWmax則執行下一步驟；以及CW倍增211，將CW之值倍增後回到前述的選取退讓時間步驟203。

根據CSMA/CA協定，退讓時間的決定會影響整個無線網路的效能，如果CW大，則選到長的退讓時間之機率高，發生碰撞的機率降低，但無線通道卻會有太多閒置的時候而導致其通道使用率降低；反之，如果CW小，則選到短的退讓時間之機率高，發生碰撞的機率會增加，重傳的次數增加，因封包有傳送次數的限制，故封包遺失率會提高，因而使通道的有效使用率下降。此外，沒有遭遇碰撞的封包可快速送出，但遭遇碰撞的封包重送時需重新倒數，且倒數的時間通常比前次傳送長，封包延遲相當大，使封包傳送時有延遲變異量大的問題。此外，若一用戶每次傳遞封包時都無碰撞發生，但另一用戶每次傳遞都遭遇碰撞，則沒有遭遇碰撞的用戶所能使用的頻寬相對大於每次都遭遇碰撞的用戶，因此有頻寬分配不公的問題。

為解決二元指數退讓方法(BEB)通道使用率低、封包延遲變異量大以及頻寬分配公平性不足的問題，本發明提供一種能夠改進現有缺失之提高通道重載傳輸效率之載波檢測多路存取/碰撞避免協定的延後競爭退讓方法，除了可以增加通道使用率、降低封包碰撞率及降低封包遺失率外，還具有訊務整型的功能，能降低封包的抖動(jitter)，此外，還可提升網路資源分配的公平性，減少頻寬分配不均的問題。

本發明所運用的技術手段係在於提供一種能夠改進現有缺失之提高通道重載傳輸效率之載波檢測多路存取/碰撞避免協定的延後競爭退讓方法，其包含下列步驟：準備傳送資料；設定競爭視窗參數初始值，將一競爭視窗參數CW設為一最小競爭視窗參數；選取退讓時間，於[0,CW-1]區間之中根據均勻分佈隨機選取一退讓時間；判斷該資料是否為第一次傳送，若是則將該退讓時間延長一額外的後退時間並執行下一步驟，若該資料不是第一次傳送則執行下一步驟；執行退讓程序，並於退讓程序結束後執行下一步驟；以及執行傳送程序，並於結束後回到前述的準備傳送資料步驟。

前述的退讓程序係包含下列步驟：判斷通道是否忙碌，於經過一時槽後若判斷通道忙碌則凍結倒數時間，反之，則減少一單位的退讓時間；以及判斷退讓時間是否等於零，若是則執行傳送程序，若否則回到前述的判斷通道是否忙碌步驟。

前述的傳送程序係包含下列步驟：開始傳送資料；判斷資料是否傳送成功，若傳送成功則結束資料傳送並回到前述的準備傳送資料步驟，若傳送失敗則累加一次失敗次數後進行下一步驟；判斷失敗次數是否超過一預定重傳次數，若超過該預定重傳次數則丟棄該筆資料，並回到前述的準備傳送資料步驟，若尚未超過該預定重傳次數則執行下一步驟；判斷CW是否等於一最大競爭視窗參數，若CW等於該最大競爭視窗參數，則回到前述的選取退讓時間之步驟，若CW不等於該最大競爭視窗參數則執行下一步驟；以及將CW倍增，並回到前述的隨機選取退讓時間之步驟。

前述的後退時間係為一常數。

前述的後退時間係與無線通訊裝置數目成正比關係。

本發明利用所提供的提高通道重載傳輸效率之載波檢測多路存取/碰撞避免協定的延後競爭退讓方法，可以獲得的具體效益為：

1.　本發明讓第一次傳送的封包多等一額外的後退時間，能夠有效降低高負載網路之封包的碰撞率以及封包的遺失率，且可提供無線區域網路更高的通道使用率，舒緩網路壅塞的問題。

2.　本發明讓首次傳送的封包多等一額外的後退時間，相對來說就是給傳送失敗的封包較高的優先權，有效降低封包延遲的變異量，提供訊務整型的功效。

3.　本發明讓首次傳送的封包多等一額外的後退時間，讓前次傳送失敗的封包有較少的競爭者，提高其傳送成功的機率，藉此提高網路資源使用上的公平性，避免大部分頻寬被傳送成功機率高的使用者一直佔用。

為能詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如后：本發明所提供的提高通道重載傳輸效率之載波檢測多路存取/碰撞避免協定的延後競爭退讓方法係如圖1至圖8所示。如圖1所示，一無線區域網路的無線通訊裝置共包含有一無線存取點(AP)10以及至少一行動站台20，無線通訊裝置數目係為N。

以下係詳述本發明之提高通道重載傳輸效率之載波檢測多路存取/碰撞避免協定的延後競爭退讓方法，請配合參考圖2及圖3所示，包含下列步驟：準備傳送資料101；設定競爭視窗參數初始值102，將一競爭視窗參數CW設為一最小競爭視窗參數CWmin；選取一退讓時間B103，係令一無線通訊裝置於[0,CW-1]區間之中根據均勻分布隨機選取B，其中該無線通訊裝置可為該無線存取點10或前述的行動站台20；判斷資料是否為第一次傳送104，若是第一次傳送則將B延長一額外的固定長度後退時間C成為新的B 105後執行下一步驟，若該資料不是第一次傳送則執行下一步驟；判斷通道是否忙碌106，於經過一時槽後若判斷通道忙碌則凍結倒數時間107，反之，則減少一單位的B108；判斷B是否等於零109，若是則執行下一步驟，若否則回到前述的判斷通道是否忙碌步驟106；開始傳送資料110，令該無線通訊裝置於B減至零單位時後即開始傳送該筆資料；判斷資料是否傳送成功111，若傳送成功則結束資料傳送112並回到準備傳送資料步驟101，若傳送失敗則累加一次失敗次數後進行下一步驟；判斷失敗次數是否超過一預定重傳次數R113，若失敗次數超過R則丟棄該筆資料114，並回到前述的準備傳送資料步驟101，若失敗次數尚未超過R則進行下一步驟；判斷CW是否等於一最大競爭視窗參數CWmax115，若CW等於Cwmax，則回到前述的選取B步驟103，若CW不等於CWmax則執行下一步驟；以及CW倍增116，將CW之值倍增後回到前述的選取B步驟103。

請參閱圖4至圖8所示，如給定前述的無線通訊裝置數目N為10~40，訊框大小為1000字節(Byte)，傳輸速率(data rate)為2Mbps，後退時間C為0~300個時槽(slot)，並忽略通道不良造成的錯誤，即封包傳送錯誤只會因為碰撞，如圖4所示，C=0即現有的二元指數退讓方法(BEB)之結果，可看出本發明將首次傳送的封包的B延長合適的C，通道使用率可明顯提高，此現象在無線通訊裝置數目N高時，意即網路負載高時，更加明顯，此外，該合適的C與無線通訊裝置數目N有一正比關係。如圖5及圖6所示，本發明加入該合適的C後，系統的碰撞機率及封包遺失率均顯著降低。如圖7所示，依本發明的方法，首次傳送的封包均需多等待C，故傳送失敗的封包傳送時相對有較高的優先權，延遲的變異量大幅降低。如圖8所示可看出現有的二元指數退讓方法封包延遲變化程度大，意即其延遲的抖動(jitter)很大，本發明能使延遲的時間集中於小範圍，意即延遲的抖動小，有訊務整型的功效。

綜上所述，本發明針對IEEE 802.11無線區域網路標準的MAC提出了一延後競爭退讓方法，有效提升高負載網路之通道使用率，且有訊務整型的功效，能降低封包的抖動，此外還可提高網路資源使用的公平性。

10．．．無線存取點

20．．．行動站台

20A．．．行動站台

圖1：一無線區域網路之架構圖。

圖2：本發明之流程圖。

圖3：本發明之部分訊號框架圖。

圖4：本發明於不同無線通訊裝置數目下之後退時間與通道使用率關係圖。

圖5：本發明與二元指數退讓方法於無線通訊裝置數目與碰撞機率關係下的比較圖。

圖6：本發明與二元指數退讓方法於無線通訊裝置數目與封包遺失率關係下的比較圖。

圖7：本發明與二元指數退讓方法於無線通訊裝置數目與訊框延遲的標準差關係下的比較圖。

圖8：本發明與二元指數退讓方法之訊框延遲機率密度函數比較圖。

圖9：二元指數退讓方法之流程圖。

圖10：二元指數退讓方法之部份訊號框架圖。

Claims

一種提高通道重載傳輸效率之載波檢測多路存取/碰撞避免協定的延後競爭退讓方法，係由數個無線通訊裝置所執行，其包含下列步驟：準備傳送資料；設定競爭視窗參數初始值，將一競爭視窗參數CW設為一最小競爭視窗參數；選取退讓時間，於[0,CW-1]區間之中根據均勻分佈隨機選取一退讓時間；判斷該資料是否為第一次傳送，若是則將該退讓時間延長一額外的後退時間並執行下一步驟，若該資料不是第一次傳送則執行下一步驟；執行退讓程序，並於退讓程序結束後執行下一步驟；執行傳送程序，並於結束後回到前述的準備傳送資料步驟；其中所述的傳送程序係包含下列步驟：開始傳送資料；判斷資料是否傳送成功，若傳送成功則結束資料傳送並回到前述的準備傳送資料步驟，若傳送失敗則累加一次失敗次數後進行下一步驟；判斷失敗次數是否超過一預定重傳次數，若超過該預定重傳次數則丟棄該筆資料，並回到前述的準備傳送資料步驟，若尚未超過該預定重傳次數則執行下一步驟；判斷CW是否等於一最大競爭視窗參數，若CW等於該最大競爭視窗參數，則回到前述的選取退讓時間之步驟，若CW不等於該最大競爭視窗參數則執行下一步驟；以及將CW倍增，並回到前述的隨機選取退讓時間之步驟。
如申請專利範圍第1項所述之提高通道重載傳輸效率之載波檢測多路存取/碰撞避免協定的延後競爭退讓方法，其中所述的退讓程序係包含下列步驟：判斷通道是否忙碌，於經過一時槽後若判斷通道忙碌則凍結倒數時間，反之，則減少一單位的退讓時間；以及判斷退讓時間是否等於零，若是則執行傳送程序，若否則回到前述的判斷通道是否忙碌步驟。
如申請專利範圍第1或2項所述之提高通道重載傳輸效率之載波檢測多路存取/碰撞避免協定的延後競爭退讓方法，其中所述的後退時間係為一常數。
如申請專利範圍第1或2項所述之提高通道重載傳輸效率之載波檢測多路存取/碰撞避免協定的延後競爭退讓方法，其中所述的後退時間係與無線通訊裝置數目成正比關係。