一种无线竞争接入退避方法转让专利
申请号 : CN201110389634.7
文献号 : CN102387603B
文献日 : 2014-01-22
发明人 : 于秦 , 庄奕群 , 毛玉明
申请人 : 电子科技大学
摘要 :
本发明公开了一种无线竞争接入退避方法。本发明的方法首先建立归一化网络吞吐量ρ与平均连续空闲时隙数目Lidle的函数，根据建立的函数关系，确定一个最优的平均连续空闲时隙数目区间，使得不同场景下的平均连续空闲时隙数目位于该区间时，网络的吞吐量均可接近最大吞吐量，而与具体的网络场景无关。根据平均连续空闲时隙数目是否在最优空闲时隙范围内，动态调整竞争窗口大小，竞争窗口小的，其增加幅度大，减小幅度小，而竞争窗口大的，其增加幅度小，减小幅度大，以达到所有节点的平均竞争窗口趋向一致，从而达到增大网络吞吐量和提高公平性的目的。
权利要求 :
1.一种无线竞争接入退避方法，包括如下步骤：
S1：建立归一化网络吞吐量ρ与平均连续空闲时隙数目Lidle的函数，所述的函数为 其中，Pidle表示信道空闲概率，与平均连续空闲时隙数目Lidle的关系为：Pidle=Lidle/(1+Lidle)；T表示数据帧的传输时延；n为活跃节点数量；Tslot为一个后退时隙长度；Ttx为数据帧从发送到确认成功接收所需时间，具体计算公式为：Ttx=T+2τ+SIFS+ACK+DIFS，其中，τ为传播时延；SIFS表示短帧间隔的大小；ACK表示发送确认帧的时间；DIFS表示DCF的帧间隔，所述DCF具体为分布式协调功能；
S2：根据网络吞吐量ρ与平均连续空闲时隙数目Lidle的关系，确定最优平均连续空闲时隙数目的范围S3：根据平均连续空闲时隙数目Lidle是否在最优空闲时隙范围内，调节竞争窗口的大小。
2.根据权利要求1所述的无线竞争接入退避方法，其特征在于，S3中所述的调节竞争窗口的大小的具体过程如下：计算每次后退的平均连续空闲时隙数目
对 进行平滑处理：采用如下公式：
式中： 为经平滑处理后的上一次后退的平均连续空闲时隙数目；α为平滑系数，取值范围为(0,1)；
若 将竞争窗口增大ηincr；若 则将竞争窗口减小ηdecr；所述ηincr和ηdecr的计算公式分别如下：其中，CW为当前竞争窗口大小；F1为最大的增加值，F2为最小的减小值，A为最大竞争窗口值，B最小竞争窗口值。
3.根据权利要求2所述的无线竞争接入退避方法，其特征在于，所述的α取值为0.7。
4.根据权利要求2所述的无线竞争接入退避方法，其特征在于，所述的F1和F2相等。
说明书 :
一种无线竞争接入退避方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种无线竞争接入退避方法。
背景技术
[0002] 在IEEE 802.11的分布式协调功能（DCF，Distributed Coordination Function)接入机制下，网络中各个节点以竞争方式接入无线信道。节点竞争的激烈程度由二进制指数退避（BEB，Binary Exponential Backoff）算法进行控制和调节。在网络用户数量增加和网络负载增大的情况下，网络性能因碰撞增多而显著下降，具体表现为网络吞吐量下降、公平性下降、时延增大。
[0003] 为提高网络性能，研究人员提出了较多的IEEE 802.11 DCF改进算法，可归纳为两类，调整竞争窗口大小和调整发送概率。调整竞争窗口大小的算法有SD-DCF（slow CW decrease DCF）、EIED（Exponential Increase Exponential Decrease） 和 FCR（Fast Collision Resolution）等。调整发送概率的算法有AOB（Asymptotically Optimal Backoff）、DCC（Distributed Contention Control）和CSCC（Channel Sensing Contention Control）等。上述的算法有的只提高某一方面的网络性能，而另一方面的网络性能没提高或变得更差，如提高吞吐量，但牺牲了公平性。有的算法太复杂不易实施，如要计算当前网络活跃节点数目等。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为了解决现有的IEEE 802.11 DCF改进算法存在的上述问题，提出了一种无线竞争接入退避方法。
[0005] 本发明的技术方案是：一种无线竞争接入退避方法，包括如下步骤：
[0006] S1：建立归一化网络吞吐量ρ与平均连续空闲时隙数目Lidle的函数，所述的函数为 其中，Pidle表示信道空闲概率，与平均连续空闲时隙数目Lidle的关系为：Pidle=Lidle(1+Lidle)；T表示数据帧的传输时延；n为活跃节点数量；Tslot为一个后退时隙长度；Ttx为数据帧从发送到确认成功接收所需时间，具体计算公式为：
Ttx=T+2τ+SIFS+ACK+DIFS，其中，τ为传播时延；SIFS表示短帧间隔的大小；ACK表示发送确认帧的时间；DIFS表示DCF的帧间隔；
Ttx=T+2τ+SIFS+ACK+DIFS，其中，τ为传播时延；SIFS表示短帧间隔的大小；ACK表示发送确认帧的时间；DIFS表示DCF的帧间隔；
[0007] S2：根据网络吞吐量ρ与平均连续空闲时隙数目Lidle的关系，确定最优平均连续空闲时隙数目的范围
[0008] S3：根据平均连续空闲时隙数目Lidle是否在最优空闲时隙范围内，调节竞争窗口的大小。
[0009] 进一步的，S3中所述的调节竞争窗口的大小的具体过程如下：
[0010] 计算每次后退的平均连续空闲时隙数目
[0011] 对 进行平滑处理：采用如下公式：式中： 为经平滑处理后的上一次
后退的平均连续空闲时隙数目；α为平滑系数，取值范围为(0,1)；
后退的平均连续空闲时隙数目；α为平滑系数，取值范围为(0,1)；
[0012] 若 将竞争窗口增大ηincr；若 则将竞争窗口减小ηdecr；
[0013] 所述ηincr和ηdecr的计算公式分别如下：
[0014] 其中，CW为当前竞争窗口大小；F1为最大的增加值，F2为最小的减小值，A为最大竞争窗口值，B最小竞争窗口值。
[0015] 本发明的有益效果是：本发明的方法确定一个最优的平均连续空闲时隙数目区间，使得不同场景下的平均连续空闲时隙数目位于该区间时，网络的吞吐量均可接近最大吞吐量，而与具体的网络场景无关。根据平均连续空闲时隙数目是否在最优空闲时隙范围内，动态调整竞争窗口大小，竞争窗口小的，其增加幅度大，减小幅度小，而竞争窗口大的，其增加幅度小，减小幅度大，以达到所有节点的平均竞争窗口趋向一致，从而达到增大网络吞吐量和提高公平性的目的。本发明的方法通过相关计算即可实现，复杂度低，并且不需要硬件和数据帧方面的改动，可以与IEEE 802.11 DCF协议完全兼容。
附图说明
[0016] 图1是本发明的平均连续空闲时隙数目示意图。
[0017] 图2是DCF信道访问过程示意图。
[0018] 图3是本发明的方法竞争窗口动态调节示意图。
[0019] 图4为实施例中活跃节点数目为10个，不同的帧长度，网络的归一化吞吐量示意图。
[0020] 图5为实施例中活跃节点数目为100个，不同的帧长度，网络的归一化吞吐量示意图。
[0021] 图6为本发明实施例DCWA-AISN和802.11DCF的归一化吞吐量比较示意图。
[0022] 图7为本发明实施例DCWA-AISN和802.11DCF的公平指数比较示意图。
[0023] 图8为本发明实施例DCWA-AISN和802.11DCF的平均时延比较示意图。
[0024] 图9为本发明实施例DCWA-AISN和802.11 DCF的平均竞争窗口比较示意图。
[0025] 图10为本发明实施例DCWA-AISN和802.11DCF的平均连续空闲时隙数目比较示意图。
[0026] 图11为本发明实施例DCWA-AISN的节点竞争窗口变化示意图。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
[0028] 针对背景技术中提到的现有无线网络接入控制方法存在的只提高某一方面网络性能、算法复杂度高等不足，本发明提出了一种无线竞争接入退避方法，具体为基于平均连续空闲时隙数目的竞争窗口动态调节（DCWA-AISN，Dynamic Contention Windows Adjustment Based on Average Idle Slot Numbers），因此本发明的方法可记为DCWA-AISN。
[0029] 为了更好的理解本发明，首先对平均连续空闲时隙数目作一说明，其具体示意图如图1所示，节点从竞争窗口[0,31]随机选择一个值9来竞争信道，则此次后退的平均连续空闲时隙数目为(3+4+2)3=3。具体可参考文献：TIAN et al:Improving Throughput and Fairness in WLANs through Dynamically Optimizing Backoff.IEICE TRANS.Commun,Vol.E88–B,NO.11November 2005，4328-4338。
[0030] 当竞争节点数目变大，IEEE 802.11 DCF的网络吞吐量急剧下降。其原因在于当竞争节点数目变大，但竞争窗口总是从最小值开始竞争，从而造成冲突。因此，竞争窗口的大小必须随竞争节点数目的变化而动态改变。此外，IEEE802.11 DCF的公平性不好，主要是因为节点的平均竞争窗口相差比较大。为了提高公平性，应让节点的平均竞争窗口趋向一致。
[0031] 基于上述考虑，本发明的方法根据平均连续空闲时隙数目是否在最优空闲时隙范围内，动态调整竞争窗口的大小，从而达到增大网络吞吐量和提高公平性的目的。首先，随着竞争节点数目增加，DCWA-AISN的吞吐量比IEEE 802.11 DCF的大；其次，DCWA-AISN的公平指数几乎不受竞争节点数目的影响，趋向于1；再次，随着竞争节点数目增加，DCWA-AISN的平均时延比IEEE 802.11 DCF的小；最后，DCWA-AISN的平均连续空闲时隙数目大体上处于最优平均连续空闲时隙数目范围，DCWA-AISN的平均竞争窗口能很好随着竞争节点数目增加而增大，而IEEE802.11 DCF的平均竞争窗口增大幅度很小。
[0032] 本实施例所述的无线竞争接入退避方法的各项参数符合IEEE802.11标准，DCF信道访问过程如图2所示，其中的竞争窗口动态调节过程如图3所示，整个DCF信道访问过程除竞争窗口动态调节过程之外，其余的过程完全和IEEE802.11标准一致，不再对其进行详细描述。
[0033] 具体实施方式包括以下步骤：
[0034] 步骤1：建立归一化网络吞吐量ρ与平均连续空闲时隙数目Lidle的函数，该函数如下式所示；
[0035]
[0036] 式中：
[0037] Lidle表示平均连续空闲时隙数目；
[0038] T表示数据帧的传输时延，即数据帧的第一个bit传到信道上，与最后一个bit传到信道上的时间差；本实施例中T用N个后退时隙长度表示，即T=NTslot；
[0039] n为节点数量；
[0040] Tslot为一个后退时隙长度，本发明中，Tslot的取值为20μs；
[0041] Ttx为数据帧从发送到确认成功接收所需时间，即：
[0042] Ttx=T+2τ+SIFS+ACK+DIFS，SIFS表示短帧间隔（SIFS，Short Inter-Frame Space）的大小；ACK表示发送确认（ACK，Acknowledgement）帧的时间；DIFS表示DCF的帧间隔（DIFS，DCF Inter-frame Space）。本实施例中，T的取值为N×20μs，τ的取值为0，SIFS的取值为10μs，ACK的取值为304μs；DIFS的取值为50μs。
[0043] 步骤2：根据网络吞吐量ρ与平均连续空闲时隙数目Lidle的关系，确定最优平均连续空闲时隙数目的范围
[0044] 本领域的普通技术人员可以根据网络吞吐量ρ与平均连续空闲时隙数目Lidle的关系来确定范围 在本实施例中，当平均连续空闲时隙数目Lidle在一定范围内，网络吞吐量接近最大吞吐量，且与帧长度和竞争节点数目无关。由图4，5可知，无论活跃节点数目和帧长为多少，当Lidle从0开始增大，吞吐量都是先急剧增大，后缓慢下降，且不同场景（不同竞争节点数目或不同帧长度）的最大吞吐量对应的平均连续空闲时隙数目位于一个比较小的区间。因此，为了达到通用性目的，DCWA-AISN确定一个最优的平均连续空闲时隙数目区间 使得不同场景下的吞吐量均可接近最大吞吐量，而与具体的网络场景无关。综合考虑，DCWA-AISN的 取[4,6]。
[0045] 步骤3：竞争窗口CW的范围为[31,1023]，当节点后退完毕且后退时隙数目大于16，则计算此次后退的平均连续空闲时隙数目 要求后退时隙数目大于16，是为了防止观察窗口时间幅度过小，造成不准确，导致频繁改变竞争窗口大小；
[0046] 步骤4：对 进行平滑处理；采用如下公式：
[0047]
[0048] 式中： 为经平滑处理后的上一次后退的平均连续空闲时隙数目；
[0049] α为平滑系数，取值范围为(0,1)；本实施例中，α取值为0.7，经仿真表明此时性能最优。
[0050] 步骤5：若 将竞争窗口增大ηincr；若 则将竞争窗口减小ηdecr。
[0051] 所述ηincr和ηdecr的计算公式分别如下：
[0052]
[0053]
[0054] 式中：CW为当前竞争窗口大小；F1为最大的增加值，F2为最小的减小值，A为最大竞争窗口值，B最小竞争窗口值。在这里，A=1023，B=31
[0055] 作为一种优选的方式，这里，F1和F2相等，在本实施例中F1和F2的取值均为100。
[0056] 以上是本发明的具体实现方式。
[0057] 为了检验本发明提出的DCWA-AISN算法的性能，使用NS2仿真软件对DCWA-AISN和IEEE 802.11 DCF的各项网络性能进行比较。仿真场景为N个源节点发包给N个目的节点，不使用RTS(Request To Send)/CTS(Clear To Send)，且节点能监测到所有的节点，即不存在隐藏终端，节点的负载处于饱和状态，即总有包可发。
[0058] 图6的纵坐标为归一化吞吐量，横坐标为竞争节点数目。由图可知，802.11 DCF的吞吐量随竞争节点数目增多而急剧减少，而DCWA-AISN的吞吐量，几乎不受竞争节点数目影响。
[0059] 图7的纵坐标为公平指数，横坐标为竞争节点数目。公平指数计算公式如下：
[0060]
[0061] 其中，Φi为权重，所有节点一样，即为1，Ti为节点i吞吐量。公平指数越高，公平性越好。DCWA-AISN的公平指数几乎不受竞争节点数目的影响，趋向于1，而802.11 DCF公平指数随着竞争节点数目急剧下降。
[0062] 图8的纵坐标为平均时延，横坐标为竞争节点数目。由图可知，随着竞争节点数目增加，DCWA-AISN的平均时延比802.11 DCF小。
[0063] 图9的纵坐标为平均竞争窗口大小，横坐标为竞争节点数目。由图可知，DCWA-AISN的平均竞争窗口能很好随着竞争节点数目增加而增大，而802.11DCF的平均竞争窗口增大幅度很小。
[0064] 图10的纵坐标为平均连续空闲时隙数目，横坐标为竞争节点数目。由图可知，DCWA-AISN的平均连续空闲时隙数目总体上处于最优平均连续空闲时隙数目范围[4,6]。
[0065] 图11的场景为100个节点中有50个源节点，50个目的节点，在第10秒至第11秒内随机启动发包，在第60秒时加入1个新源节点和1个新目的节点，图中的节点100（node100）为在第60秒时新加入的源节点，节点0（node0）和节点20（node20）为原来的源节点，由图可知，新加入的节点100的竞争窗口不断向原来的源节点0和源节点20靠近。
[0066] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。