802.11--CSMA/CA机制简述
一. 概述
在最初的802.11中MAC层中，共有两种基本的工作模式：
1. Distributed Coordination Function，简称DCF；
2. Point Coordination Function，简称PCF；
DCF采用的是竞争的方式接入信道，PCF则采用统一分配的方式接入信道，在多ap的环境下，需要更加复杂的额外控制，来实现重叠信道接入控制。DCF因此有更好的分布式特性，从而DCF被广泛使用，PCF则比较少使用，最新的协议文档表明（IEEE 802.11-2016），PCF已经被淘汰废弃了，因此本文不再描述PCF相关的内容；
到了2004年，在802.11e协议将DCF扩展为enhanced distributed channel access，简称CDCA，在原来的方式上增加了Qos机制；
二. 专业术语
本小节对一些专业术语进行一个简要的说明，以防这些术语对本文的理解造成一定的困扰：
1. CSMA/CA：Carrier sense multiple access with collision avoidance；
2. DCF：Distributed Coordination Function；
3. CDCA：Enhanced distributed channel access；
4. IFS：Inter-frame Spacing，帧间间隙；
5. DIFS：Distributed Inter-frame Spacing，分布式帧间间隙（DCF使用）；
6. SIFS：Short inter-frame space，短帧间间隔；
7. AIFS：Arbitration interframe space（用于qos设备）；
8. EIFS：Extended interframe space；
9. CW：Contention Window，竞争窗口，节点随机回退计数值的范围；
10. Slot Time：时隙，时间片段；
11. Backoff退避：是指节点在竞争信道时，所经历的随机退避过程。在这一过程开始时，节点首先在竞争窗口中选择一个随机数为倒数计数器，同时每一个Slot Time，节点为监听信道是否空闲，若信道空闲，则进行一次倒数，即计数器减1，若信道忙，则不进行相应倒数，当计数器数值减到0时，节点进行数据发送；
11. TXOP：Transmission Opportunity，获得TXOP的节点可以再TXOPLimit时间内连续使用信道传输多个数据帧，不需要每次都竞争信道；
SIFS、Slot time、DIFS、EIFS的计算与关系：
1. SIFS = RXRFDelay＋RXPLCPDelay＋MACProcessingDelay＋RxTxTurnaroundTime，即包括：接收RF/PLCP时延、MAC层处理时延、天线的发送/接收切换时延；
2. Slot time = CCATime＋RxTxTurnaroundTime＋AirPropagationTime＋MACProcessingDelay，即时隙包括：信道检测CCA时间、天线的发送/接收切换时延、电磁波传播时延、MAC层处理时延，不同的协议，Slot time是不同的；
3. DISFS = SIFS + (2 * Slot time)；
4. EIFS = SIFS + AckTxTime + DIFS，用于数据发送失败时（未收到对方的ack），不再是等待DIFS，而是EIFS；
三. CSMA/CA工作机制
基本流程如下：
1. 节点发送数据前信道竞争流程：
1) 先等待DIFS时间，若DIFS时间内，信道一直是空闲状态，则进入下一个过程，因为DIFS中包含了两个slot time，所以整个DIFS内，会对信道的空闲状态监测2次；
2) backoff退避：从CW中随机选择一个数x作为计数器，进行x次slot time的退避，退避过程中，每个slot time都会进行一次信道空闲状态监测，如果空闲，计数器x减1，否则不递减；
3) 当计数器减到0时，节点认为自己获得信道接入权，开始发送数据；
4) 对端节点收收数据后，进行crc校验，如果数据校验通过，对端在等待SIFS后，回复ack进行确认；
5) 节点收到对端回复的ack后，这次的传输就算完成，重复上面的流程，再次竞争信道以发送下一个数据包；
两个节点竞争信道的时序图如下所示：
2. 如果对端收到的数据有问题，或者对端没有成功接收数据，则不会发送ack确认，此时节点的处理稍有不同：
1) 节点需要等待EIFS才进行backoff，而不是等待DIFS；
2) 重传的backoff称为BEB（Binary Exponential Back off），即二进制指数退避算法，BEB的cw随着重传次数的增加，cw也是指数增加的，比如节点的默认CW范围是[0,15]，冲突一次后，重传的cw就变成[0,31]，这样做的目的是为了不使本身就非常忙的信道更加忙碌，而提升信道整体的吞吐；
3) 802.11中共允许6次倍增窗口，第7次及以上不倍增窗口，如果超过重传次数限制，数据还未发送成功，则直接丢弃处理；
4) OFDM每次倍增CW窗口大小如下所示：
节点发送失败的时序图如下所示：
3. 信道竞争的详细阶段如下所示：
4. Fragment Burst
fragment burst也可以称为SIFS Burst，是指节点竞争到信道后，同时发送多个分片（帧），而不需要每个分片（帧）都去竞争信道，如下所示：
四. EDCA机制
802.11e协议中，DCF扩展为EDCA，主要是为了让802.11支持qos功能，802.11e一共可以提供4个不同的优先级，也称为接入类别（Access categories），从高到低排序分别是：AC_VO、AC_VI、AC_BE、AC_BK，默认的无线流量类型是AC_BE；
与DCF相比，EDCA增加了几个可配置的参数：
1. CWMIN：退避backoff竞争窗口最小值；
2. CWMAX：退避backoff竞争窗口最大值；
3. AIFS：退避前的等待时间，AIFS[AC] = AIFSN[AC] × Slot time + SIFS，其中AIFSN可以进行配置，优先级越高，AIFSN[AC]越小，AIFS[AC]也就越小，也就越快进行信道竞争；
4. TXOPLimit：在802.11e之前，一直是“竞争一次，传输一个帧”，采用的是物理层面载波监听来实现的，802.11e开始引入TXOP，是指“竞争一次，传输一段时间”，TXOP的传输时间是通过虚拟载波监听来保证的。有种Fragment Burst的感觉，也称这种方式为Burst方式。
对于高优先级的无线流量来说，拥有更小的竞争窗口，更小的AIFS，更大的TXOPLimit，所以在同等的环境下，高优先的流量更有机会发送到空口，高通方案可以通过setwmmparams设置这些参数。
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