一种无线信道访问竞争的控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无线信道访问竞争控制方法及系统，在ＩＥＥＥ８０２．１１标准的基础上提出了最优化竞争窗口的计算方法并对原有ＭＡＣ协议的退避算法进行了改进。首先深入分析无线网络中吞吐量和延时性能，提出了根据无线网络中的活动节点数来动态实时的计算出一个最优的竞争窗口方法。其次，本发明专利技术又提出了一种新的退避方式，即首先根据测算得到网络中活动的节点数并计算出最优的窗口，然后加入一个随机种子算法，当无线信道中出现冲突，退避算法不是将初始窗口增大一倍，而是仅仅在最优的竞争窗口的基础上增加一个随机数值。这样既避免由于各活动节点竞争信道的冲突，也缩短了介质访问延时，从而提高了无线网络的吞吐量和信道的利用率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及无线网络通信领域，尤其涉及无线信道访问竞争的控制方法及装置。
技术介绍
21世纪的头十年，通讯产业正处于一个转折点上。20世纪可以被称作有线世 纪，有数以百万计公司的铜制电缆、光缆被架设到了家庭、办公大楼以及街道的地下和上 方，甚至是海洋底下。21世纪则在迅速地成为无线世纪。与上一世纪不同的是，使用无 线技术的动机已经不再是话音，而是数据了。这一转变一直是向用户发布特有服务的许多 不同技术的推动力。无线局域网作为主流的无线宽带接入技术之一，以其广泛的适用性和 技术价格方面的优势，获得了成功和迅速的发展，特别是近年来随着个人数据通信的发展， 功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端得到广泛应用。 IEEE 802. 11无线网络(包括Ad Hoc网络)得到了迅速的发展，已经被广泛地 应用在人们的工作和生活中，并被普遍认为将在下一代无线通信中发挥重要作用。IEEE 802. IIMAC(媒体接入控制)子层协议定义了两种信道接入方式DCF(分布式协作功能) 和可选的PCF(点协作功能)。其使用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,载波侦听多点接入/避免冲撞)载波监测机制，通过交换RTS/CTS/ ACK控制帧来预约信道和保证数据帧的正确接收，实现可靠的数据传输。 IEEE 802. IIMAC层协议需要解决的最突出问题是控制同时访问无线信道的多 个移动节点之间的竞争。现有的DCF控制方法如下(参见文献1 :IEEE802. 11 Working Group(June 122007). IEEE 802. 11-2007-Wireless AN MediumAccess Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications. ISBN :978-0-7381-5656-9): 当一个节点需要发送帧时，要调用载波侦听机制来确定信道的忙/闲状态，如果 信道忙，它将推迟直到信道连续处于闲状态达到DIFS时间，为了避免发送冲突，这时该节 点在发送前必须经过一个附加的退避周期，将产生一个随机的退避时间(Back off Time), 并存入退避计数器，如果退避计数器中已经包含有一个非0的值，那么就不再执行产生随 机退避时间的过程。退避时间的产生方法如下 其中，Random()是均匀分布在[O，CW]范围内的随机整数，CW(ContentionWindow， 竞争窗口 )是介于由物理层特征决定的最小竞争窗口 CWmin和最大竞争窗口 CW^之间的一 个整数值，即CWmin《CW《CWmax。例如对于直接序列扩频(DSSS) ，CWmiI^P CWmax分别为31和 1023。 a Slot Time是由物理层特性决定的一个时隙的实际长度值，对于DSSS，一个时隙的 长度是20ys。因此，退避时间是一个以时隙为单位的随机整数。 —个节点执行退避过程时，在每一个时隙中侦听信道的状态，如果信道闲，则将退 避时间计数器减1 ;如果信道忙，则退避过程将被推迟，退避时间计数器被冻结(即不再递 减)，直到侦听到信道处于连续空闲状态达到DIFS时间，退避过程重新被激活，继续递减。 当退避计数器递减到0时，节点就可以执行发送。当多个节点同时竞争信道时，每个节点都5经过一个随机时间的退避过程，才能占有信道，这样就大大减少了发送冲突发生的概率。另外，通过采用退避过程中的冻结机制，使得被推迟的节点在下一轮竞争中无需再次产生一个新的随机退避时间，只需继续进行计数器递减，那么，等待时间长的节点的优先级就高于新加入的节点，就可能优先得到信道，从而维护了竞争节点之间一定的公平性。 图1显示了采用上述无线信道访问竞争控制方法的退避过程示例。在节点A发送时，节点B、C、D都有帧要发送，等待信道连续空闲DIFS时间后，进入退避阶段，每个节点在CW内随机产生一个退避时间。因为节点C所产生的退避时间最短，它的退避计时器最先减至0，开始发送帧，节点B和D的退避计时器被冻结。在节点C传送过程中，节点E也有帧要发送，进入等待过程。信道空闲DIFS后，节点B和D的退避计时器解冻，节点E产生随机退避时间。因为节点D的退避计时器最先减至O，所以节点D获得发送机会。 每个节点都要维护一个CW参数，CW的初始值或默认值为CWmin。在直接序列扩频中默认初始窗口为31，当一个节点发送失败时，说明当前的网络负载较大或者链路状况不好，该节点的CW就会增加一倍，以后，该节点每次因发送失败而重传时，CW都会增加一倍，即CW=2迈(CWmin+l)-l，其中m为重传次数。当CW值增加到CW隨时，即2m(CWmin+l) = (CW隨+1)，再连续重传时CW的值将保持为CWMX不变，直到该节点发送成功，或者达到了最大重传次数限制，CW将被重新置为CWmin。 CW的变化方式如下图2所示。 竞争窗口越大，随机退避机制解决冲突的能力就越强，因为使用较大的竞争窗口时，选择相同的随机退避时间的可能性很小。这样，一方面，在轻载的情况下，小的竞争窗口保证了较短的延迟；一方面，在重载情况下，随机等待时间随着冲突产生次数而指数递增，降低了冲突的概率。竞争窗口达到CW^后不再增长，保证了网络在重载情况下的稳定。帧成功发送或者重传次数超过限制而被丢掉时，竞争窗口被重置为CW^。 这样我们会发现在退避窗口成倍的增加时虽然会降低冲突概率但同时也增加了退避时间。特别是在竞争窗口增加到窗口的最大值的时候退避时间会大大增加。另一方面，标准的竞争窗口默认值固定在31 ，而不是根据无线网络环境中的动态优化竞争窗口 ，从而无线网络吞吐量和时延性能不能达到最优。
技术实现思路
鉴于现有技术的访问竞争控制方法存在的问题，本专利技术提出一种改良的无线信道 访问竞争控制方法，，以实现介质访问时延减少，而且也使得吞吐量实现优化。同时，本专利技术 还提供了一种改良的无线信道访问竞争控制装置，以实现介质访问时延减少以及吞吐量的 优化。为此，本专利技术提供如下技术方案 1、本专利技术提供一种无线信道访问竞争控制方法，包括如下步骤 步骤1、计算无线网络介质访问延时D ; 步骤2、估算通信范围内活动节点数n ; 步骤3、利用无线网络介质访问延时D与每个节点的发送数据的概率t的关系以 及每个节点的发送数据的概率t与竞争窗口CW的关系，推导出竞争窗口CW的计算公式； 步骤4、利用推导出的竞争窗口 CW的计算公式，根据所估算出来的活动节点数n， 动态地计算最优竞争窗口 CW。Dt ;6 步骤5、当无线通信发生冲突时，在最优竞争窗口 CW。pt上增加一个随机数，使得竞 争信道的不同节点退避时间不同； 步骤6、根据各节点的退避时间进行无线信道访问控制。 2、其中步骤1进一步包括如下步骤 计算节点竞争到信道后，成功地发送数据所用的时间Ts ; 计算在节点竞争信道过程中，由于其它节点成功发送数据而使信道处于忙状态的 总时间Ds; 计算由于节点间发送冲突而使信道处于忙状态的总时间D。； 计算在节点竞争信道过程中，空闲时隙的总时间，包括总的退避时间和其它节点成功发送或冲突的等待时间Tsl。t ;以及 将上述时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线信道访问竞争控制方法，包括如下步骤：　　　　步骤１、计算无线网络介质访问延时Ｄ；　　　　步骤２、估算通信范围内活动节点数ｎ；　　　　步骤３、利用无线网络介质访问延时Ｄ与每个节点的发送数据的概率τ的关系以及每个节点的发送数据的概率τ与竞争窗口ＣＷ的关系，推导出竞争窗口ＣＷ的计算公式；　　　　步骤４、利用推导出的竞争窗口ＣＷ的计算公式，根据所估算出来的活动节点数ｎ，动态地计算最优竞争窗口ＣＷ↓［ｏｐｔ］；　　　　步骤５、当无线通信发生冲突时，在最优竞争窗口ＣＷ↓［ｏｐｔ］上增加一个随机数，使得竞争信道的不同节点退避时间不同；　　　　步骤６、根据各节点的退避时间进行无线信道访问控制。

【技术特征摘要】
一种无线信道访问竞争控制方法，包括如下步骤步骤1、计算无线网络介质访问延时D；步骤2、估算通信范围内活动节点数n；步骤3、利用无线网络介质访问延时D与每个节点的发送数据的概率τ的关系以及每个节点的发送数据的概率τ与竞争窗口CW的关系，推导出竞争窗口CW的计算公式；步骤4、利用推导出的竞争窗口CW的计算公式，根据所估算出来的活动节点数n，动态地计算最优竞争窗口CWopt；步骤5、当无线通信发生冲突时，在最优竞争窗口CWopt上增加一个随机数，使得竞争信道的不同节点退避时间不同；步骤6、根据各节点的退避时间进行无线信道访问控制。2. 如权利要求1所述的控制方法，步骤1进一步包括如下步骤计算节点竞争到信道后，成功地发送数据所用的时间Ts ;计算在节点竞争信道过程中，由于其它节点成功发送数据而使信道处于忙状态的总时间Ds ;计算由于节点间发送冲突而使信道处于忙状态的总时间D。；计算在节点竞争信道过程中，空闲时隙的总时间，包括总的退避时间和其它节点成功发送或冲突的等待时间Tsl。t ;以及将上述时间相加，得出无线网络介质访问延时D :<formula>formula see original document page 2</formula>3. 如权利要求1所述的控制方法，其中步骤2进一步包括如下步骤利用侦听邻居节点发送的数据帧的方法，实时估计网络中的活动节点数n。具体见表1方法。4. 如权利要求1所述的控制方法，步骤3中无线网络介质访问延时D与每个节点的发送数据的概率t的关系是通过建模和推导而出，其关系为<formula>formula see original document page 2</formula> ;其中t为每个节点的发送概率；n为活动节点数；o是一个时隙的持续时间；T。表示由于冲突而使信道处于忙状态的平均时间；L表示节点竞争到信道后，成功地发送数据所用的时间；若令H = PHYh(t+MAChto表示一个数据包在MAC层(MAChJ和物理层(PHYhd》所加包头的长度，S表示数据传播延迟，T。表示由于冲突而使信道处于忙状态的平均时间，E[P]是数据包的平均长度，E[P*]是每次冲突中最长负载包的平均长度，假设所有数据包具有相同的长度，因此有E[P] =E[P*] =P;,在基本访问方法情况下有<formula>formula see original document page 2</formula>在RTS/CTS访问方法情况下有<formula>formula see original document page 3</formula>在IEEE 802. 11中，其中SIFS为短帧间间隔时间(Short Inter frameSpace) ，...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜金尧，韩海，
申请(专利权)人：中国传媒大学，
类型：发明
国别省市：11[]